Удвоение напряжения: Выпрямители с умножением напряжения

Содержание

Выпрямители с умножением напряжения

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ
ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
НАКАПЛИВАЮЩИЕ ЁМКОСТИ
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

ВВЕДЕНИЕ

Среди различных схем выпрямляющих устройств особую труппу составляют схемы, в которых посредством соответствующего включения выпрямительных элементов .и конденсаторов осуществляется не только выпрямление, но одновременно и умножение выпрямленного напряжения.

Преимущество таких схем заключается в возможности построения высоковольтных бестрансформаторных выпрямителей и выпрямителей с трансформаторами, только для питания цепей накала кенотронов. Отсутствие в силовом трансформаторе повышающей обмотки значительно облегчает его изготовление и повышает эксплуатационные качества выпрямителя. К недостаткам этих схем относятся сравнительно сильная зависимость выпрямленного напряжения от тока в нагрузке и относительная трудность получения больших мощностей.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения получили наиболее широкое распространение в рентгенотехнических установках.

В радиотехнической практике они используются в основном для питания маломощной аппаратуры, потребляющей ток не более 50-70 мА при напряжении около 200 в. Однако и здесь область их применения можно значительно расширить, построив, например, по схеме с утроением или учетверением напряжения достаточно мощные бестрансформаторные выпрямители. Подобные выпрямители при напряжении сети переменного тока 110, 127 или 220 в позволяют получить постоянное напряжение 300- 400 в при токе до 100-150 мА, что обеспечивает питание анодных цепей приёмников, усилителей низкой частоты средней мощности.

Особенностью работы выпрямителей с умножением напряжения является использование свойств конденсаторов накапливать и в течение некоторого времени сохранять электрическую энергию. При работе выпрямителя от обычной сети 50-периодного переменного тока время, в течение которого конденсатор должен сохранять заряд, не превышает 0,02 сек. Чем больше ёмкость (входящих в схему конденсаторов, тем большее количество электрической энергии они сохраняют и тем выше при одной и той же . нагрузке получается выпрямленное напряжение. Поэтому в таких выпрямителях удобнее всего применять электролитические конденсаторы, которые, имея небольшие размеры, обладаю! значительной ёмкостью.

Ниже описывается ряд практических схем выпрямителей с умножением напряжения, причём для большинства из них приводятся нагрузочные характеристики, снятые при различных ёмкостях накопительных конденсаторов. Такие характеристики позволяют достаточно полно судить о возможных областях применения той или иной схемы, а также по заданным выпрямленному току, выпрямленному напряжению и напряжению питающей сети выбрать схему выпрямителя и определить основные данные его деталей.

СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С УМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы с удвоением напряжения. Схемы выпрямителей с удвоением напряжения, получившие наиболее широкое распространение в радиолюбительской практике, приведены на фиг. 1.

Фиг. 1. Принципиальные схемы выпрямителей с удвоением напряжения.
а — схема двухполупериодного выпрямителя; б — схема однополупериодного выпрямителя.

Для того чтобы можно было достаточно полно сравнить и оценить достоинства и недостатки обеих схем, на фиг. 2 приведены их нагрузочные характеристики. Характеристики были сняты при различных ёмкостях конденсаторов С1 и С2. В выпрямителях использовались селеновые столбики В1 и В2, собранные каждый из 13 шайб диаметром 45 мм. Напряжение питающей сети поддерживалось равным 120 в. Для ограничения пускового тока, который из-за ёмкостного характера нагрузки может достигать значительных величин, последовательно в цепь питания включалось сопротивление R, равное 20 Ом. Благодаря этому создавались более благоприятные условия для работы выпрямителей.

Фиг. 2. Нагрузочные характеристики выпрямителей с удвоением напряжения (сняты при напряжении питающей электросети, равном 120 в).
а — характеристики двухполупериодного выпрямителя; б — характеристики однополупериодного выпрямителя.

Сравнивая нагрузочные характеристики обоих выпрямителей, снятые при одних и тех (же значениях ёмкости конденсаторов С1 и С2, можно заметить, что для схемы двухполупериодного выпрямления они лежат заметно выше, чем для схемы однополупериодного. Следовательно, выпрямленное напряжение на нагрузке при одинаковом токе получается большим для первой схемы (фиг. 1, а), чем для второй (фиг. 1, б).

Приведённые характеристики позволяют также судить о реальных рабочих напряжениях, при которых работают конденсаторы схемы.

Благодаря тому, что частота пульсации при двухполупериодном выпрямлении получается в два раза большей, чем при однополупериодном, для первой схемы (фиг. 1, а) значительно облегчается дальнейшая фильтрация выпрямленного напряжения, и кроме того, коэффициент пульсации показывающий, какую часть выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя составляет амплитуда переменной составляющей этого напряжения) для одинаковой нагрузки и одинаковых значений ёмкости конденсаторов С1 и С2 получается несколько меньшим. Так, например, при сопротивлении нагрузки 2000 Ом и ёмкости конденсаторов С1 и С2 по 48 мкФ коэффициент пульсаций для первой схемы составлял 6,5 %, а для второй — 7,6% (несмотря на то, что в первой схеме суммарная ёмкость на выходе выпрямителя в два раза меньше, чем во второй).

Следует также отметить, что рабочие напряжения на конденсаторах в первой схеме одинаковы и равны половине выпрямленного напряжения, т. е. не превышают 150 в (если только выпрямитель не работает без нагрузки), тогда как во второй схеме под таким напряжением работает только конденсатор С1 а конденсатор С2 находится под полным выпрямленным напряжением и, следовательно, должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее чем 300 в.

При работе выпрямителей с удвоением напряжения без нагрузки, т. е. вхолостую, выпрямленное напряжение примерно равно удвоенному амплитудному значению напряжения питающей сети, и следовательно, может превысить 350 в (если эффективное напряжение сети равно 127 в). Такое повышение напряжения может привести к пробою конденсаторов, селеновых шайб или изоляции между нитью накала и катодом в кенотронах. Поэтому, если по техническим условиям выпрямитель должен работать без нагрузки или на очень высокоомную нагрузку, то детали, применяемые в нём, должны быть рассчитаны на соответствующее рабочее напряжение. Последнее условие относится также и к схемам, приводимым в последующих разделах брошюры.

Некоторым преимуществом однополупериодной схемы является возможность весьма простого переключения её на питание от сети с напряжением 220 в. Чтобы произвести такое переключение, нужно соединить последовательно выпрямительные элементы В1 и В2 и закоротить конденсатор С1. В этом случае выпрямитель будет работать по схеме однополупериодного выпрямления без удвоения напряжения. Нагрузочные характеристики выпрямителя при этом почти не изменятся.

Область применения описанных выше схем выпрямителей — питание 4…5 ламповых приёмников (имеющих выходную мощность не более 2-3 Вт), маломощных усилителей низкой частоты и малоламповой измерительной аппаратуры.

Во всех этих случаях в качестве выпрямительного элемента удобнее всего использовать кенотрон 30Ц6С, нить накала которого соединяется последовательно с нитями накала других ламп аппарата. Выпрямитель с этим кенотроном и конденсаторами С1 и С2 ёмкостью по 20-40 мкф даёт напряжение 200-220 в при токе около 70 мА. Применяя вместо кенотрона 30Ц6С селеновые столбики, собранные из шайб диаметром 35 или 45 мм, и конденсаторы большей ёмкости, можно несколько увеличить выпрямленное напряжение и получить ток вдвое (для шайб диаметром 35 мм) и втрое (для шайб диаметром 45 мм) больший. Выпрямители в этом случае могут питать более мощные приёмники (до 4 вт выходной мощности), усилители низкой частоты, малоламповые телевизоры и т. п.

Фиг. 3. Принципиальная схема выпрямителя с утроением напряжения.

Фиг. 4. Нагрузочные характеристики выпрямителя с утроением напряжения (сняты при напряжении питающей электросети, равном 120 в).

Схема с утроением напряжения. Схема выпрямителя с утроением напряжения приведена на фиг. 3. Она представляет собой комбинацию двух схем однополупериодных выпрямителей: схемы с удвоением напряжения и схемы без умножения. К питающей сети обе схемы подключаются параллельно, а их выходы (выпрямленные напряжения) соединяются между собой последовательно. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя, равное сумме выпрямленных напряжений (удвоенному напряжению сети на конденсаторе С2 и одинарному — на конденсаторе С3), оказывается равным, примерно, утроенному напряжению сети.

Нагрузочные характеристики, выпрямителя, приведённые на фиг. 4, показывают, что при токе около 200 мА такой выпрямитель может отдавать напряжение свыше 300 в. Характеристики снимались при сопротивлении R = 10 Ом с выпрямителя, в котором (в качестве выпрямительных элементов В1, В2 и В3 использовались одинаковые селеновые столбики, собранные каждый в 13 шайб диаметром 45 мм.

Напряжение питающей сети поддерживалось равным 120 в, а ёмкости конденсаторов С1, С2 и С3 менялись в пределах от 32 до 100 мкф.

Характер пульсации выпрямленного напряжения этой схемы при равных значениях ёмкости всех трёх конденсаторов такой же, как и в схеме двухполупериодного выпрямления, а коэффициент пульсации при нагрузке выпрямителя сопротивлением 2000 ом и ёмкости конденсаторов по 50 мкф — порядка 7%. Рабочие напряжения на конденсаторах С1 и С3 не превышают 150 в, а на конденсаторе С2 — 300 в.

Следует иметь в виду, что в схеме с утроением напряжения при отсутствии нагрузки и напряжении питающей сети 120-127 в выпрямленное напряжение превышает 500 в.

Приведённые выше данные показывают, что выпрямитель с утроением напряжения может получить ещё более широкое применение, чем с удвоением. Вопрос о выборе выпрямительных элементов для такого выпрямителя будет рассмотрен ниже.

Схемы с учетверением напряжения. Схема выпрямителя с учетверением напряжения может быть двух видов: симметричной и несимметричной.

Симметричная схема, изображённая на фиг. 5, представляет собой комбинацию двух схем однополупериодных выпрямителей с удвоением, работающих в разные полупериоды напряжения питающей сети. Работа этой схемы происходит следующим образом- Во время полупериода одного знака заряжаются конденсаторы С1 и С4, причём напряжение на конденсаторе С1 достигает, примерно, одинарного, а на конденсаторе С4 — удвоенного эффективного значения напряжения питающей сети (конденсатор С4 заряжается, используя уже имеющийся заряд на конденсаторе С2). Во время полупериода противоположного знака таким же образом заряжаются конденсаторы С2 и С3. Выпрямленное напряжение снимается с соответствующих полюсов конденсаторов С3 и С4, соединённых между собою последовательно. Таким образом, оно удваивается вторично.

Фиг. 5. Симметричная схема выпрямителя с учетверением напряжения.

Напряжение, до которого заряжаются конденсаторы С1 и С2, оказывается тем большим, чем больше нагрузочное сопротивление или, иначе говоря, меньше отдаваемая выпрямителем мощность. Максимального значения зарядное напряжение достигает в случае отключения от выпрямителя нагрузки, становясь равным амплитудному значению напряжения сети (в 1,41 раза больше эффективного значения) на конденсаторах С1 и С2 и удвоенному амплитудному значению (в 2,82 раза больше эффективного значения) — на конденсаторах С3 и С4.

Фиг. 6. Нагрузочные характеристики выпрямителя с учетверением напряжения (сняты при напряжении питающей сети, равном 120 в).

Для того чтобы можно было быстро определить требуемые ёмкости конденсаторов C1, С2, С3 и С4, на фиг. 6 приведены нагрузочные характеристики, снятые с выпрямителя при различных значениях этих ёмкостей (во всех случаях С1 = С2 и С3 = С4). Приведённые характеристики показывают, что уже при конденсаторах С1 и С2 ёмкостью по 60 мкф и С3 и С4 — по 16 мкф напряжение на выходе выпрямителя при токе 150 мА достигает 400 в.

Конденсаторы С1 и С2 должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не меньшее чем 150 в, а С3 и С4 — не меньшее чем 250 в.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в случае нагрузки выпрямителя сопротивлением 3000 Ом оказывается равным, примерно, 6%, а форма напряжения на нагрузке та же, что и при двухполупериодном выпрямлении.

Следует иметь в ввиду, что в симметричных схемах выпрямителей с умножением напряжения шасси находится под сравнительно высоким потенциалом относительно земли и питающего источника.

Фиг. 7. Несимметричная схема выпрямителя с учетверением напряжения.

Несимметричная схема выпрямителя с учетверением напряжения показана на фиг. 7. Работает она по несколько иному принципу, чем предыдущая. Здесь в полупериод соответствующего знака через выпрямительный элемент В1 и сопротивление R, примерно до напряжения сети, заряжается конденсатор С1. В следующий полупериод через выпрямительный элемент В2 и сопротивление R, используя заряд на конденсаторе С1, примерно до двойного напряжения сети, заряжается конденсатор С3. До такого же напряжения заряжается в последующий полупериод конденсатор С2 через выпрямительный элемент В3. В это же время вновь заряжается конденсатор С1. Затем заряд конденсатора С2 через выпрямительный элемент В4 заряжает конденсатор С4. Выпрямленное напряжение снимается с последовательно соединённых конденсаторов С3 и С4. Вся схема работает по принципу однополупериодного выпрямления.

Фиг. 8. Нагрузочные характеристики несимметричного учетверяющего выпрямителя (сняты при напряжении питающей сети, равном 120 в).

Снятые с выпрямителя нагрузочные характеристики (фиг. 8) имеют значительный наклон. Это показывает на невозможность использования таких схем для радиотехнических аппаратов повышенной мощности. Рабочее напряжение распределяется на конденсаторах весьма своеобразно, причём характер распределения зависит от величины нагрузки. В табл. 1 приведены рабочие напряжения на конденсаторах при двух различных нагрузках и без нагрузки.

Таблица 1

Конденсаторы на схеме фиг. 7	Ёмкость, мкф	Рабочее напряжение при нагрузке 2000 Ом, в	Рабочее напряжение при нагрузке 7500 Ом, в	Напряжение без нагрузки, в
C1	60	100	125	170
С2	48	125	220	340
С3	48	175	240	340
С4	48	100	105	340

Примечание. Напряжение питающей сети 120 в.

Такое неравномерное распределение напряжения сопровождается весьма неравномерной формой пульсации, и поэтому коэффициент пульсации на выходе выпрямителя составляет при сопротивлении нагрузки 5000 Ом около 10%, а при сопротивлении нагрузки 1700 Ом повышается до 23%. Вследствие этого несимметричную схему выпрямителя с учетверением напряжения можно использовать только при больших сопротивлениях нагрузки или, иначе говоря, при малых потребляемых токах.

Выпрямители, собранные по симметричной схеме с учетверением, в которых применяются селеновые выпрямительные элементы, могут широко использоваться для питания различных радиотехнических устройств, требующих достаточно высоких напряжений при токах 150-200 мА.

Схемы с многократным умножением напряжения. Принцип выпрямления с учетверением напряжения, изложенный выше, действителен для любой чётной кратности умножения. Для каждого последующего увеличения выпрямленного напряжения на удвоенное напряжение сети схему выпрямителя нужно дополнить лишь двумя выпрямительными элементами и двумя конденсаторами, как показано на фиг. 9.

Схема, приведённая на фиг. 9, хорошо работает только при весьма малом потребляемом токе, но зато может давать очень высокое выпрямленное напряжение. Её удобно применять в телевизорах для питания анода кинескопа и т. д. В качестве выпрямительных элементов здесь могут быть использованы селеновые шайбы самого малого диаметра, собранные в столбики с таким расчётом, чтобы допустимое обратное напряжение было равным двойной амплитуде напряжения, даваемого источником переменного напряжения. На такое же рабочее напряжение должны быть рассчитаны и все конденсаторы схемы, кроме (конденсатора С1 находящегося под одинарным амплитудным напряжением источника. Так как схема рассчитывается на малые рабочие токи,

Фиг. 9. Несимметричная схема выпрямителя с многократным умножением напряжения.

ёмкости конденсаторов могут быть небольшими, в пределах от 0,25 до 0,5 мкФ. Из-за большого сопротивления нагрузки коэффициент пульсации на выходе выпрямителя получается незначительным даже при таких малых значениях ёмкости конденсаторов. Полное напряжение, даваемое выпрямителем, подсчитывается для ненагруженного выпрямителя путём умножения амплитуды переменного напряжения на число пар элементов схемы. За одну пару элементов принимаются конденсатор и выпрямительный элемент.

На фиг. 10 показана симметричная схема многократного умножения напряжения, имеющая по сравнению со схемой

Фиг. 10. Симметричная схема выпрямителя с многократным умножением напряжения.

фиг. 9 те же преимущества, что и симметричная схема с учетверением напряжения по сравнению с несимметричной. Эту схему можно рекомендовать для выпрямителей, питающих выходные ступени любительских коротковолновых передатчиков и устройств, требующих высоких напряжений и сравнительно больших токов. При этом, конечно, должны быть соответственно подобраны выпрямительные элементы и конденсаторы выпрямителя.

Для приведённых выше схем выпрямителей характер нагрузочных характеристик определяется ёмкостями применяемых конденсаторов. Чем больше эти ёмкости, тем меньший наклон имеет характеристика, и следовательно, большим получается напряжение на данной нагрузке.

Для случая работы выпрямителя без нагрузки существуют определённые минимальные значения ёмкостей конденсаторов, при занижении которых схемы с умножением напряжения перестают работать. В тех случаях, когда от выпрямителя необходимо получить ток в несколько десятков или сотен, миллиампер, конденсаторы следует брать возможно большей ёмкости. Это способствует также и улучшению фильтрации выпрямленного напряжения. Кроме того, подбором ёмкостей конденсаторов можно эффективно устанавливать нужное по режиму питания анодное напряжение.

В промышленных и любительских телевизорах для питания анодов кинескопов нашла применение схема с умножением напряжения, изображённая на фиг. 11. Эта схема отличается от приведённых ранее наличием дополнительных сопротивлений и ёмкостей. Работает она следующим образом. Во время положительного полупериода питающего напряжения через выпрямительный элемент В1 заряжается до амплитудного значения напряжения конденсатор C1, а во время отрицательного — через сопротивление R1 конденсатор С2.

Фиг. 11. Схема умножения напряжения с сопротивлениями.

В последующий положительный полупериод напряжение на конденсаторе С2 складывается с питающим напряжением, и этот конденсатор разряжается через выпрямительный элемент В2 на последовательно соединённые конденсаторы С1 и С3, с концов которых полученное удвоенное выпрямленное напряжение и подводится к нагрузке. Наращивая в схеме звенья так, как показано пунктиром на фиг. 11, можно получить умножение напряжения любой кратности.

Преимущества такой схемы заключаются в облегчении условий работы выпрямительных элементов и ёмкостей, так как обратное напряжение на каждом выпрямительном элементе не превышает двойного, а на каждом конденсаторе — одинарного амплитудного напряжения, подводим ото к выпрямителю. Сопротивления R1, R2 и т. д. позволяют в случае использования селеновых столбиков иметь значительный разброс их обратных сопротивлений.

Рассмотренная схема пригодна только для работы выпрямителя при большом сопротивлении нагрузки. Конденсаторы могут иметь ёмкость порядка 500…1000 нФ, а сопротивления около 2…4 мОм. В качестве выпрямительных элементов могут применяться соответствующие селеновые столбики или кенотроны, однако для питания нитей накала последних на силовом трансформаторе необходимо иметь отдельные хорошо изолированные обмотки.

Продолжение. ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

BACK MAIN PAGE

Схема удвоения напряжения

Классическая (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.

Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2. Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U₀₁≈ U₂_m , а напряжение на нагрузке U₀ ≈ 2U₂_m . Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем. Недостатком симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки нагрузки и трансформатора.

Используется также и несимметричная схема удвоения, её отличием от предыдущей является то, что нагрузка имеет общую точку с трансформатором. Поэтому их можно соединить с корпусом, при этом основная частота пульсаций равна частоте сети.

В этой несимметричной схеме конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя, не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому её массогабаритные показатели хуже, чем у симметричного удвоителя. Однако есть и достоинства. Схему можно изобразить так:

Получилась регулярная структура, которую можно наращивать и получить умножитель напряжения.

Нагрузку можно подключить к любой группе конденсаторов и получить чётное или нечётное умножение. На схеме показано чётное умножение — напряжение на нагрузке U₀ ≈ 6U_m₂ . Обычно такие умножители собирают в виде единого блока и заливают компаундом. Число конденсаторов в схеме равно коэффициенту умножения.

Расчетные соотношения для рассмотренных схем можно найти в справочнике. Недостатком схем умножения является их высокое внутреннее сопротивление и низкий коэффициент полезного действия вследствие большого числа перезарядов.

Более высоким КПД обладают бестрансформаторные высоковольтные выпрямители с одновременным зарядом n штук накопительных конденсаторов С₁.

Управляемые зарядный и разрядные ключи К_з и К_р работают синхронно и в противофазе. конденсаторы С₁параллельно заряжаются от сети и последовательно разряжаются на нагрузку через разрядные ключи К_р. При этом, напряжение на нагрузке в n раз больше амплитуды напряжения сети.

Узнать еще:

Удвоитель напряжения

Удвоитель постоянного напряжения
(однополупериодный)

Удвоитель напряжения означает, что напряжение на его выходе в два раза выше чем на выходе обычного выпрямителя. Удвоители, также как и обычные выпрямители, бывают двух типов: однополупериодные и двухполупериодные. На рисунке справа представлена схема обычного однополупериодного удвоителя с положительным напряжением на выходе. Однополупериодным умножителям напряжения присущи теже недостатки, что и аналогичным выпрямителям. Можно увидеть, что частота заряда конденсатора C1 равна частоте входного напряжения. Т.е. он заряжается один раз за период. Между этими циклами зарядки идёт цикл разрядки такой же длительности. Поэтому в этой схеме необходимо серьёзно отнестись к сглаживанию пульсаций.

Двухполупериодный удвоитель напряжения

Но более распространён двухполупериодный удвоитель напряжения. Сразу надо сказать, что как предыдущая схема, так и эта, может быть подключена к сети переменного напряжения напрямую, минуя трансформатор. Это если требуется напряжение, вдвое превышающее сетевое и не требуется гальваническая развязка с сетью.
В этом случае серьёзно повышаются требования к соблюдению техники безопасности!

Схема удвоителя напряжения
(двухполупериодный)

Резистор R0, как обычно, установлен для ограничения импульсов тока в диодах. Его значение сопротивления невелико и, как правило не превышает сотен ом. Резисторы R1 и R2 необязательны. Они установлены параллельно конденсаторам C1 и C2 для того, чтобы обеспечить разряд конденсаторов после отключения от сети и от нагрузки. Также, они обеспечивают выравнивание напряжения на C1 и C2.

Работа удвоителя очень похожа на работу обычного двухполупериодного выпрямителя. Разница в том, что здесь выпрямитель в каждом из полупериодов нагружен на свой конденсатор и заряжает его до амплитудного значения переменного напряжения. Удвоенное выходное напряжение получается путём сложения напряжения на конденсаторах.

В тот момент, когда напряжение в точке А относительно точки B положительно, через диод D1 заряжается конденсатор C1. Его напряжение практически равно амплитуде переменного напряжения вторичной обмотки конденсатора. В следующий полупериод напряжение в точке А отрицательно по отношению к точке B. В этом момент ток идёт через диод D2 и заряжает конденсатор C2 до такого же амплитудного значения. Так как конденсаторы соединены последовательно по отношению к нагрузке, то мы получаем сумму напряжений на этих конденсаторах, т.е. удвоенное напряжение.

Конденсаторы C1 и C2 желательно должны иметь одинаковую ёмкость. Напряжение этих электролитических конденсаторов должно превышать амплитудное значение переменного напряжения. Также должны быть равны и номиналы резисторов R1 и R2.

Удвоитель напряжения | Техника и Программы

Схемы удвоения напряжения применяются в тех случаях, когда требуется получить более высокое напряжение, чем при использовании трансформатора или сети переменного тока. Удвоение напряжения — удобное средство для исключения трансформатора из схемы источника питания при сохранении при этом возможности получения существенно более высокого напряжения, чем может обеспечить сеть. Таким образом, схемой удвоения напряжения можно воспользоваться для повышения напряжения сети в два раза или для увеличения напряжения, снимаемого с трансформатора. На рис. 10.3 показана схема удвоения напряжения с трансформатором. Здесь назначение трансформатора состоит в изоляции схемы от сети в целях безопасности. Как показано на рисунке, напряжение сети подается на первичную обмотку L_b в цепи которой имеется выключатель. Параллельно сети и обмотке подключен конденсатор Ci емкостью 0,02 мкФ, который шунтирует помехи, не пропуская их в схему удвоения. Поэтому такой конденсатор иногда называют фильтрующим.

Рис. 10.3. Схема удвоения напряжения.

Вторичная обмотка трансформатора соединена с двумя полупроводниковыми диодами Д1 и Д₂. Конденсаторы С₂ и С₃ служат для накопления зарядов и передачи их на выход выпрямителя.

Работу схемы легче понять, если предположить, что на обмотке LI имеется сигнал определенной полярности, и проследить, как при этом протекают электроны в схеме. Если, например, на L₂ действует положительная полуволна напряжения, направленного от верхнего вывода к нижнему, то электроны перемешаются от нижнего вывода через цепь выпрямителя к верхнему выводу обмотки. При этом электроны проходят через конденсатор С₂ и заряжают его до напряжения, близкого к максимальному напряжению, действующему на L₂. От верхней обкладки С₂электроны протекают через диод Д1 к верхнему выводу L₂. Таким образом, в течение положительного полупериода переменного напряжения ток будет протекать только через диод Д_ь а диод Д₂ в этом полупериоде будет закрыт. Во время действия следующей полуволны питающего напряжения потенциал верхнего вывода обмотки L₂ отрицателен относительно нижнего вывода. Теперь поток электронов будет проходить через диод Д₂ и конденсатор С₃, заряжая его также почти до максимального напряжения, действующего на вторичной обмотке трансформатора. Далее электроны будут протекать от верхней обкладки конденсатора С₃ к нижнему выводу обмотки L₂. Таким образом, в течение каждого полупериода переменного напряжения конденсаторы С₂ и С₃ будут поочередно заряжаться.

Заметим, что выходное напряжение снимается с выхода сглаживающего дросселя ls. Конденсаторы С₂ и С₃ являются элементами фильтра, который служит для сглаживания пульсаций. Так как отрицательный выходной зажим заземлен, выходное напряжение снимается фактически с последовательно включенных конденсаторов С₂ и С₃. Следовательно, выходное напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах С₂ и С₃. Таким образом, схема действует как удвоитель напряжения, подаваемого на ее вход. Однако величина выходного напряжения зависит от регулирующих свойств схемы. При большем токе нагрузки потребляется больший ток от конденсаторов С₂ и С₃. Если этот ток достаточно велик, то выпрямители не успевают подзаряжать конденсаторы для поддержания на них амплитудного значения напряжения и выходное напряжение падает. При отсутствии нагрузки выходное напряжение получается максимальным.

Регулировочные свойства схемы (т. е. способность сохранять выходное напряжение близким к постоянной величине при изменении сопротивления нагрузки) улучшаются при увеличении емкости конденсаторов. В этом случае они могут запасать больший заряд и, следовательно, позволяют отбирать от выпрямителя ток большей величины без существенного уменьшения выходного напряжения.

Удвоитель напряжения постоянного тока

Вместе с каналом “Обзоры посылок и самоделки от jakson” будем собирать схему.
Автор видео ищет интересные применения микросхеме-таймеру NE 555, на раз это удвоитель напряжения. Это, пожалуй, одна из самых простых, доступных схем без использования трансформаторов, катушек, других деталей, которые порой трудно найти.

Микросхема и другие радиодетали в этом китайском магазине.

Схема может увеличить напряжение постоянного тока с 12 до 24 V, но при этом есть один недостаток, ток не высокий, буквально до 50 мА. Понадобится подобный удвоитель напряжения только для устройств с малым потреблением. Но бывает еще одна его версия с использованием транзисторов, там уже ток будет повыше.

Схема удвоителя напряжения 12-24 вольта

Распродажа: с 23 августа 10:00 по 28 августа 09:59 (МСК) Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.

Из деталей, которые понадобятся для сборки и пайки, это таймер NE 555, 2 резистора один на 15К, другой на 27 К, 2 неполярных конденсатора на 0,01 мкФ, 3 полярных конденсатора, 2 из которых имеют емкость 330 мкФ, один на 470 мкФ. Ну, последнее, это 2 диода, указано 1N4001, но на самом деле для сборки этой схемы подойдет, большинство других диодов.

Все детали, которые понадобятся, отставил в сторонку. Будем все собирать на макетной печатной плате. Сначала не совсем уверен в работоспособности, тем более в надежности этой схемы, поскольку брал ее из непроверенного источника. Но на данный момент единственный способ проверить – это ее собрать. Самому интересно будет ли она работать.

Рассмотрим как собирать подобные устройства, поскольку новички часто задают подобный вопрос в личных сообщениях, поэтому решил его разъяснить.

Начнем с того, что собирается все довольно-таки просто и, пожалуй, подобные схемы не намного сложнее каких-нибудь радиоконструкторов.

Все линии, примыкающие к деталям, к выводам, являются проводниками, они всегда параллельны или составляют между собой угол в 90 градусов, иначе быть не может. В местах их соединений используются точки, а там, где соединений нет, точки соответственно тоже не будет, то есть эти 2 проводника между собой не соединяются. Все детали в схеме имеют свое обозначение, отличаются по форме. Перечень всех маркировок вы сможете найти в интернете, они там все будут подписаны. Бывает так, что маркировка одной, той же детали в разных случаях может отличаться, поскольку это зависит от автора, от источника. Например, те же самые резисторы могут отличаться зигзагами, поэтому все детали подписаны, например R1, R2 это резисторы, C1, C2 – конденсаторы, VD1, VD2 – диоды. Указаны номиналы. Так устроены не все схемы. Бывает, что эти номиналы указаны в отдельной таблице. Но в любом случае, каждая будет подписана своей маркировкой, номером. Хотя бывает, что, этого нет. Но, в таком случае, у всех будет подписан номинал.

По поводу номиналов на примере резисторов, конденсаторов.
Начнем с резисторов. Написано 15К. 15К – это 15 Кило, то есть буква «К» в конце обозначает «Килоом», если буквы «К» не будет – это «ом». В общем, все просто. Соответственно, 27К – 27 Килоом. Далее, конденсаторы. Уже немного сложнее. В нашем случае – это микрофарады, поскольку только они указываются с цифрой после запятой. Например, нанофарады, пикофарады так не указываются. Ну, также они обычно указываются буквами nf, pf, то есть нанофарады, пикофарады. Это то, что касается маркировки неполярных конденсаторов. А полярные конденсаторы всегда указываются в микрофарадах. По крайней мере, иного способа указаний ни разу не встречал. Хотя, возможно, в некоторых специфических схемах, используются большие величины. По крайней мере, пикофарады, нанофарады для обозначения полярных конденсаторов не используют.

Далее про полярности деталей. У некоторых она есть, у других нет. Например, у резисторов, неполярных конденсаторов полярности нет, то есть нет разницы – каким образом их устанавливать, куда какой вывод подсоединять, что не скажешь о полярных или как по-другому их называют электролитических конденсаторов, диодов. У этих деталей есть 2 разных вывода, один положительный, другой отрицательный. Например, в этой схеме у конденсаторов положительный вывод отмечен плюсом. Но опять же бывают другие, там маркировка немного отличается. Ну, соответственно другой контакт является отрицательным. А если ориентироваться по детали, например, если это новый конденсатор, то длинная ножка – это плюсовой контакт, короткая – минусовой. Или если деталь не новая, то проще будет ориентироваться по полоске со стороны минусового контакта. Такая белая полоска, ну, соответственно с минусом.

У диодов то же самое, только там положительный, отрицательный вывод называется по-другому – анод, катод. Анод – это положительный контакт, катод – отрицательный. Если ориентироваться по корпусу диода, то со стороны серой полоски находится отрицательный контакт, то есть катод. Действует такая же аналогия, как, с конденсаторами: если деталь новая, то положительный контакт будет длиннее.
Последняя деталь удвоителя напряжения – микросхема. В нашем случае 8-контактная. Каждый ее вывод пронумерован. Зачастую микросхема обозначается прямоугольной фигурой. Также бывают варианты треугольной. Опять же зависит от автора, источника.

Далее с 5 минуты на видео про сборку простого удвоителя напряжения. В представленной модели постоянный ток увеличивается с 12 до 24 вольт.

Рис. 1. Схемы удвоения напряжения: а двухтактная с трансформатором; б графики напряжений; в однотактная бестрансформаторная схема Для повышения

Лабораторная работа 5.3

Лабораторная работа 5.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ 5.3.1. Выпрямители Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основное назначение выпрямителя

Подробнее Лекция 8 ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) План
75 Лекция 8 ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) План 1. Введение 2. Однополупериодный управляемый выпрямитель 3. Двухполупериодные управляемые выпрямители 4. Сглаживающие фильтры 5. Потери и КПД выпрямителей 6.
Подробнее 1. Назначение и устройство выпрямителей
Тема 16. Выпрямители 1. Назначение и устройство выпрямителей Выпрямители это устройства, служащие для преобразования переменного тока в постоянный. На рис. 1 представлена структурная схема выпрямителя,
Подробнее Лекция 2 ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
109 Лекция ЦЕПИ С ДИОДАМИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ План 1. Анализ цепей с диодами.. Источники вторичного электропитания. 3. Выпрямители. 4. Сглаживающие фильтры. 5. Стабилизаторы напряжения. 6. Выводы. 1. Анализ
Подробнее ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ В ы п р я м и т е л я м и называют электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Выпрямители
Подробнее КАСКАДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
КАСКАДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Каскадный генератор устройство, преобразующее низкое переменное напряжение в высокое постоянное. В каждом отдельном каскаде переменное напряжение выпрямляется, а выпрямленные напряжения
Подробнее ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра прикладной химии
Подробнее ИЗУЧЕНИЕ ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина ИЗУЧЕНИЕ ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Методические указания по выполнению
Подробнее ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторной работы 2 по дисциплинам: «Электроника и электронные устройства управления», «Радиотехника и электроника» СОДЕРЖАНИЕ 1. Цель работы……
Подробнее Выпрямители синусоидального тока
1 Лекции профессора Полевского В.И. Выпрямители синусоидального тока Вольтамперная характеристика электропреобразовательного диода На рис. 1.1. представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) электропреобразовательного
Подробнее Исследование однофазных выпрямителей
63. Исследование однофазных выпрямителей Цель работы:. Изучение устройства и принципа работы однофазных выпрямителей. 2. Определение внешних характеристик выпрямителей. Требуемое оборудование: Модульный
Подробнее idt sin tdt 0,32I T R R R R
Лабораторная работа 1 Выпрямитель переменного тока Цель: изучение работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей и их характеристик. Выпрямителем называется устройство для преобразования напряжения
Подробнее Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ
Лекция 7 ВЫПРЯМИТЕЛИ План 1. Источники вторичного электропитания 2. Однополупериодный выпрямитель 3. Двухполупериодные выпрямители 4. Трехфазные выпрямители 67 1. Источники вторичного электропитания Источники
Подробнее 6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
6.3. ДВУХТАКТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Двухтактные УМ могут быть трансформаторными и бестрансформаторными. Двухтактный трансформаторный УМ представляет собой два однотактных каскада с общими цепями нулевого
Подробнее ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Лектор:. преподаватель Баевич Г.А. Лекция 5 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 1. Последовательное и параллельное соединение диодов. 2. Выпрямитель переменного тока на одном диоде.
Подробнее RU (11) (51) МПК H03K 17/00 ( )
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (51) МПК H03K 17/00 (2006.01) 167 664 (13) U1 R U 1 6 7 6 6 4 U 1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (21)(22)
Подробнее СВАТРОННЫЕ ГИТ, ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ, ДЛЯ АДСН
УДК 621.21 В.А. Обрубов К.т.н., доцент, Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ, Тольяттинский филиал г. Тольятти, Российская федерация СВАТРОННЫЕ ГИТ, ВЕДОМЫЕ
Подробнее 15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
15.4. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основным параметром является коэффициент сглаживания равный отношению коэффициента пульсаций
Подробнее ИЛТ1-1-12, ИЛТ модули управления тиристорами
ИЛТ, ИЛТ модули управления тиристорами Схемы преобразователей на тиристорах требуют управления мощным сигналом, изолированным от схемы управления. Модули ИЛТ и ИЛТ с выходом на высоковольтном транзисторе
Подробнее ПЭР УЛ ПЗ
Государственное бюджетное образовательное учреждение начального профессионального образования Профессиональное училище 1 30.4 Помощник машиниста электровоза Слесарь по ремонту подвижного состава К защите
Подробнее ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный
Подробнее 1 Цель работы. 2 Ключевые положения
Лабораторная работа 1.1а Исследование работы выпрямительного устройства 1 Цель работы 1. Изучение принципов структурного, функционального, схемотехнического построения и функционирования выпрямительных
Подробнее 1.1 Усилители мощности (выходные каскады)
Лекция 7 Тема: Специальные усилители 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены
Подробнее Одновибраторы на дискретных элементах.
11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей
Подробнее Рис. 2 Схема однофазного выпрямителя
ЧТО ТАКОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ? Применение преобразователей энергии в электроприводе обусловлено в основном необходимостью регулирования скорости вращения электродвигателей. У большинства первичных
Подробнее Электромагнитный источник энергии (
Линевич Э. И. [email protected] Приморский край, г. Артём Электромагнитный источник энергии (физические основы принципа действия) Предлагается генератор электрической энергии, который может быть использован
Подробнее С.А. Иванская ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ ГОУ СПО «Минераловодский колледж железнодорожного транспорта» С.А. Иванская ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Методические рекомендации по освоению теоретического материала и
Подробнее RU (11) (51) МПК H03K 17/00 ( )
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (51) МПК H03K 17/00 (2006.01) 168 443 (13) U1 R U 1 6 8 4 4 3 U 1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (21)(22)
Подробнее 3 Моноблок MB Общие сведенья
3.1 Общие сведенья 3 Моноблок MB01 В состав рентгеновского питающего устройства IEC-F7 входит моноблок, включающий в себя высоковольтный трансформаторно-выпрямительный блок, накальный трансформатор и рентгеновскую
Подробнее ЦЕПИ С ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЦЕПИ С ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ Методические указания
Подробнее 1.1 Усилители мощности (выходные каскады)
Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены
Подробнее Элементарнаябазаэлектронных устройств
Элементарнаябазаэлектронных устройств Диоды, стабилитроны, транзисторыи тиристоры Электронными называют устройства, в которых преобразование электроэнергии и сигналов реализуется с помощью электронных
Подробнее ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
95 Лекция 0 ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ План. Введение. Понижающие импульсные регуляторы 3. Повышающие импульсные регуляторы 4. Инвертирующий импульсный регулятор 5. Потери и КПД импульсных регуляторов
Подробнее ИЛТ Драйвер управления тиристором
ИЛТ Драйвер управления тиристором Схемы преобразователей на тиристорах требуют изолированного управления. Логические изоляторы потенциала типа ИЛТ совместно с диодным распределителем допускают простое
Подробнее Амплитудные детекторы
1 Искажения при детектировании амплитудно-модулированных колебаний Кафедра РЭИС. Доцент Никитин Никита Петрович. 2009 2 Нелинейные искажения при детектировании амплитудномодулированных колебаний Пусть
Подробнее 1. Организационно методические указания
1. Организационно методические указания 1.1. Цели и задачи изучения дисциплины Дисциплина «Электропитание и элементы электромеханики» является общеинженерной и является теоретической основой, на которой
Подробнее Усилители мощности (УПТ)
Электроника и МПТ Усилители мощности (УПТ) Усилитель мощности усилительный каскад, предназначенный для передачи в нагрузку заданной либо максимально возможной мощности при максимально возможном КПД и минимальных
Подробнее Лекция 12 ИНВЕРТОРЫ. План
5 Лекция 2 ИНВЕРТОРЫ План. Введение 2. Двухтактный инвертор 3. Мостовой инвертор 4. Способы формирования напряжения синусоидальной формы 5. Трехфазные инверторы 6. Выводы. Введение Инверторы устройства,
Подробнее Основи промислової електроніки
Завдання до контрольної роботи з дисципліни Основи промислової електроніки для спеціальності 5.969 «Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд» 1. Задание по курсовой работе
Подробнее Инвертор реактивной мощности
Инвертор реактивной мощности Устройство предназначено для питания бытовых потребителей переменным током. Номинальное напряжение 220 В, мощность потребления 1-5 квт. Устройство может использоваться с любыми
Подробнее Схема удвоения напряжения — Студопедия
Классическая (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.
Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2. Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U₀₁≈ U₂_m , а напряжение на нагрузке U₀ ≈ 2U₂_m . Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем. Недостатком симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки нагрузки и трансформатора.
Используется также и несимметричная схема удвоения, её отличием от предыдущей является то, что нагрузка имеет общую точку с трансформатором. Поэтому их можно соединить с корпусом, при этом основная частота пульсаций равна частоте сети.
В этой несимметричной схеме конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя, не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому её массогабаритные показатели хуже, чем у симметричного удвоителя. Однако есть и достоинства. Схему можно изобразить так:

Получилась регулярная структура, которую можно наращивать и получить умножитель напряжения.
Нагрузку можно подключить к любой группе конденсаторов и получить чётное или нечётное умножение. На схеме показано чётное умножение — напряжение на нагрузке U₀ ≈ 6U_m₂ . Обычно такие умножители собирают в виде единого блока и заливают компаундом. Число конденсаторов в схеме равно коэффициенту умножения.
Расчетные соотношения для рассмотренных схем можно найти в справочнике. Недостатком схем умножения является их высокое внутреннее сопротивление и низкий коэффициент полезного действия вследствие большого числа перезарядов.
Более высоким КПД обладают бестрансформаторные высоковольтные выпрямители с одновременным зарядом n штук накопительных конденсаторов С₁.
Управляемые зарядный и разрядные ключи К_з и К_р работают синхронно и в противофазе. конденсаторы С₁параллельно заряжаются от сети и последовательно разряжаются на нагрузку через разрядные ключи К_р. При этом, напряжение на нагрузке в n раз больше амплитуды напряжения сети.
Контрольные вопросы
1. Принципы построения выпрямителей. Критерии качества выпрямленного напряжения.
2. Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя (двухполупериодного).
3. Поясните принцип действия однофазного выпрямителя со средней точкой трансформатора.
4. Поясните принцип действия трехфазного мостового выпрямителя.
5. Поясните принцип действия трехфазного выпрямителя с нулевым выводом.

6. Поясните принцип действия многопульсного выпрямителя.
7. Влияние различных видов нагрузок на работу выпрямителей: активно – индуктивная и емкостная нагрузки.
8. Поясните внешнюю характеристику выпрямителя.
9. В каких схемах выпрямления через вторичную обмотку трансформатора протекает постоянная составляющая выпрямленного тока и как это влияет на работу трансформатора?
10. Проведите сравнительный анализ двух схем: трехфазной схемы с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемы.
11. Проведите сравнение внешних характеристик для трехфазной мостовой и трехфазной схемы с нулевым выводом.
12. Покажите, что с увеличением пульсности выпрямителя величина выходного напряжения возрастает.Чему равен предел lim U₀ ?
^{^p^®^¥}
Удвоители напряжения
| Engineering Center
Цепь удвоителя напряжения выдает напряжение постоянного тока, которое в два раза превышает пиковое значение входного переменного напряжения, без использования трансформатора. Существует множество конструктивных электрических ситуаций, когда сигнал переменного напряжения доступен (или может быть создан), но для схемы требуется большее постоянное напряжение. Эти ситуации включают сбор энергии, высоковольтные мигалки или ионные генераторы. Инженеры, сталкивающиеся с необходимостью умножения напряжения, часто в первую очередь думают о трансформаторах, но во многих случаях лучшим решением может быть хорошо спроектированная схема удвоителя напряжения.
Как работает схема удвоителя напряжения?
Самая простая схема удвоителя напряжения — это однополупериодный удвоитель, представляющий собой не что иное, как последовательный конденсатор с диодом, смещенным в обратном направлении на GND. Это также называется схемой Виллара, названной в честь ее изобретателя.
Рисунок 1 : Схема полуволнового удвоителя напряжения (Изображение: Википедия) (https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_doubler)
Конденсатор пропускает через него переменный ток, а диод пропускает ток только в одном направлении.Это создает пиковое выходное напряжение на диоде 2 * Vpk. Эта чрезвычайно простая схема иллюстрирует концепцию, но она не очень хорошо регулирует выходное напряжение постоянного тока:
Рисунок 2 : Входные и выходные напряжения полуволнового удвоителя напряжения (Изображение: KEMET)
Следует также отметить, что удвоитель напряжения — это форма умножителя напряжения первого порядка. Умножители напряжения можно складывать вместе, чтобы утроить напряжение, в четыре раза увеличить напряжение и т. Д.
Полноволновой удвоитель напряжения
Более распространенной и сложной схемой удвоителя напряжения является двухполупериодный удвоитель напряжения, или схема Делона, в которой используются два диода и два конденсатора для обеспечения удвоенного выходного напряжения постоянного тока.
Рисунок 3 : Схема удвоителя напряжения Делона (Изображение: KEMET)
Эта схема, по сути, представляет собой две уложенные друг на друга схемы пикового детектора, каждая из которых заряжает свои соответствующие конденсаторы во время противоположных половин входящего сигнала переменного напряжения.
Рис. 4 : Двухполупериодные удвоители: (a) пара удвоителей, (b) перерисована, (c) используется общая земля, (d) используется один и тот же источник напряжения. (e) переместите точку на земле. (Изображение: Все о схемах) (https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/voltage-multipliers/)
Выходное напряжение тогда равно напряжению постоянного тока, приблизительно равному размаху входящего напряжения переменного тока, или 2 * Vpk, или 2 * Vin * √2:
Рисунок 5 : Формы сигналов входного / выходного напряжения удвоителя напряжения (Изображение: KEMET)
На этом графике синяя линия — это входящее напряжение переменного тока, черная линия — это выходное заземление (-), а желтая линия — это выходное напряжение Vout (+).В течение самого первого полупериода входящей синусоидальной волны переменного напряжения C1 заряжается от тока, проходящего через D1. В течение следующего полупериода C2 заряжается в обратном направлении, а C1 разряжается. В третьем полупериоде C1 снова заряжается до пикового напряжения, в то время как C2 разряжается, и схема достигла установившегося режима работы.
Пульсации выходного напряжения в первую очередь зависят от характеристик используемых конденсаторов и нагрузки на выходе. Таким образом, выбор конденсатора является наиболее важной задачей при проектировании схем удвоителя напряжения.
Выбор конденсаторов
Выбранные конденсаторы должны иметь хорошую плотность энергии и емкость-напряжение (CV), оставаясь при этом рентабельными. Конденсаторы должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать ток, необходимый для нагрузки.
Алюминиевые электролитические конденсаторы — очевидный выбор, поскольку они обеспечивают отличную удельную энергию, постоянную мощность и стоимость. Электролитические материалы, такие как серия KEMET ALC40, имеют длительный срок службы при повышенных температурах, что делает их идеальными для приложений с удвоением напряжения. Тем не менее, существует ряд факторов, которые инженеры должны тщательно учитывать при разработке таких конструкций:
1.Частота, ток и ESR
Идеальный конденсатор обеспечивает нулевое сопротивление в цепи. Однако реальные конденсаторы не идеальны и содержат резистивные компоненты. Наиболее важным из этих эффектов является эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Этот резистивный компонент в первую очередь заставляет конденсатор рассеивать мощность, что создает тепло и сокращает срок его службы.
Рисунок 6 : Идеальный конденсатор (Изображение: All About Circuits) (https: // www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-4/capacitor-quirks/)
Переменный ток через конденсатор преобладает над теплом, выделяемым конденсатором. В случае удвоителя напряжения переменная составляющая напряжения на конденсаторе представляет собой пульсирующее напряжение. Частота сигнала переменного тока является еще одним фактором, при котором более высокая частота будет выделять больше тепла. И, наконец, часть тока, который конденсатор передает от накопленной энергии к нагрузке, также теряется на тепло, поэтому приложения с более высокой токовой нагрузкой выделяют больше тепла.
Максимальное значение ESR для алюминиевых электролитических конденсаторов серии ALC40 составляет от 6 мОм до 1000 мОм в зависимости от напряжения, емкости и размера конденсатора. Всегда рекомендуется минимизировать СОЭ до самого низкого значения СОЭ, поддерживаемого конструкцией.
2. Соображения по нагрузке
Нагрузка на выходе — еще один важный элемент для удвоителя напряжения, потому что выход плохо регулируется. При резистивной нагрузке более высокий ток вызывает больший спад напряжения между пиками напряжения, в результате чего напряжение постоянного тока падает, а пульсирующее напряжение увеличивается.Выходная мощность удвоителя напряжения ограничена входной мощностью и КПД схемы. Таким образом, максимальный теоретический выходной ток удвоителя напряжения составляет половину входного тока. Из-за этого удвоители напряжения не идеальны для приложений с высокой продолжительной мощностью. Скорее они хороши для нагрузок, требующих заряда высокого напряжения, но не большой мощности.
В случае индуктивной нагрузки реактивные характеристики нагрузки могут вызывать обратную связь напряжения смещения с удвоителем напряжения.Алюминиевые электролитические конденсаторы поляризованы и могут потерпеть катастрофический отказ при обратном смещении, что часто вызывает беспокойство, когда они используются для управления индуктивными нагрузками. Большинство электролитических конденсаторов могут выдерживать небольшое обратное напряжение до -1,5 В или -2,0 В в течение короткого периода времени. Например, серия ALC40 от KEMET может выдерживать обратное напряжение смещения -2,0 В до того, как начнется катодное окисление. Схема удвоителя напряжения, представленная здесь, изначально защищена от повреждения конденсатора из-за обратного смещения двумя диодами, которые ограничивают обратное напряжение максимум до двух диодных падений, или приблизительно -1.4В.
3. Расчет срока службы
Когда для хранения и подачи энергии используются алюминиевые электролитические конденсаторы, расчет ожидаемого срока службы имеет решающее значение. Основным фактором при расчете срока службы электролитических конденсаторов является температура, и многие факторы влияют на температуру конденсатора. Важную роль играют рабочая температура, ток пульсаций, постоянное напряжение, ток нагрузки и частота. KEMET предлагает простой онлайн-инструмент под названием «Калькулятор ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов», который поможет в этих расчетах.Этот инструмент выполняет расчет срока службы на основе метода рабочей температуры или метода пульсирующего тока, а также рассчитывает температуры и ожидаемый срок службы для конкретных условий.
Рис. 7 : Калькулятор ожидаемого срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов KEMET (Изображение: KEMET)
4. Индивидуальные решения
Инженерам не нужно проектировать удвоители напряжения с нуля. У KEMET есть инженеры, готовые разработать индивидуальные решения для любого приложения и помочь с расчетами нагрузки, ожидаемым сроком службы и выбором конденсаторов.Посетите elc.kemet.com для получения дополнительной информации.
Основы схем удвоителя напряжения
Напряжение можно удвоить (и, следовательно, умножить на любую степень двойки с помощью каскадных устройств) чисто электронными средствами без использования трансформатора. Применяются соотношения напряжения и тока, поэтому удвоение — это не вопрос получения бесплатной электроэнергии, которой раньше не было. Удвоение напряжения и, таким образом, уменьшение тока на выходе иногда не очень хорошо, но часто это не проблема.
Элементарный удвоитель напряжения, изобретенный Полем Ульрихом Виллардом (1860-1934).
Существует множество вариантов схем удвоителя, но все удвоители напряжения и умножители имеют схожие принципы работы.
Удвоитель напряжения на переключаемом конденсаторе работает от входа постоянного тока. При параллельном подключении два конденсатора заряжаются до входного напряжения. Затем, когда два переключателя включаются одновременно, они изолируются от входа, подключаются к выходу и включаются последовательно, так что при разряде дважды вход появляется на выходе.Очевидно, что из-за отсутствия демона, который мог бы быстро переключать переключатели, переключатели с ручным управлением непрактичны. Было реализовано множество реальных стратегий переключения:
В преобразователях переменного тока в постоянный переменный ток на входе, помимо подачи удвоенного напряжения, также выполняет переключение посредством колебания полярностей.
Внутренняя цепь прерывателя может преобразовывать постоянный ток в переменный перед подачей на секцию удвоителя напряжения.
Внешние часы (часто также выполняющие другие функции на той же печатной плате) могут обеспечивать прерывание и умножение напряжения.
В интегральных схемах MOSFET часто обеспечивают переключающее действие.
Удвоитель напряжения по Грайнахеру, также известный как полуволновой удвоитель, сохраняет пиковое напряжение на выходе со значительным уменьшением пульсаций.
Утроитель напряжения может быть построен путем объединения удвоителя напряжения, обычно 5-В _pp при 1 кГц, и простого полуволнового выпрямителя, состоящего из диода и конденсатора, подключенных от одной входной клеммы к противоположной выходной клемме. Выход удвоителя 10 В, соединенный последовательно с выходом выпрямителя 5 В, обеспечивает 15 В на выходе тройника.Каскадные удвоители и утроители теоретически обеспечивают бесконечное количество целочисленных выходов.
Удвоитель напряжения на мосту Делона, также известный как двухполупериодный удвоитель напряжения, используемый вместе с повышающим трансформатором, способен выдавать напряжения в диапазоне киловольт.
При создании прототипов блоков питания с линейным приводом даже без трансформатора существует потенциальная опасность поражения электрическим током. Помните также, что электролитические конденсаторы взорвутся при изменении полярности. Цепи каскадных умножителей должны быть построены по лестничной схеме, чтобы постепенно увеличивающийся потенциал напряжения не мог образовывать дугу на отдельных участках с более низким потенциалом.Таким образом, вся лестница не будет разрушена одним закороченным диодом или конденсатором. Без лестничной конфигурации одно короткое замыкание могло бы сжечь последовательные соседние компоненты, в конечном итоге оказав перенапряжение на весь умножитель, испытательное оборудование и экспериментатора.
Умножители напряжения могут генерировать миллионы вольт для экспериментов с высокими энергиями. Трансформаторная технология в таких приложениях потребует сложных заполненных жидкостью кожухов и высоковольтной изоляции.
Из-за его низкой стоимости и скромных требований к изоляции наиболее широко используемым методом для генерации высоковольтного слаботочного выходного сигнала является многоступенчатый умножитель Кокрофта-Уолтона.Напряжение резко падает при подаче на нагрузку с низким сопротивлением. Он широко использовался в телевизорах с ЭЛТ, где требовалось ускоряющее напряжение на аноде 30 кВ, несмотря на высокую пульсацию. Поскольку доступны ступенчатые напряжения, этот источник используется в ускорителях частиц и для смещения в фотоумножителях. Они используются для питания такого разнообразного оборудования, как ускорители частиц, рентгеновские аппараты, телевизоры с электронно-лучевой трубкой, магнетроны в микроволновых печах, фотокопировальные машины и устройства для уничтожения насекомых.
Многоступенчатые умножители напряжения Кокрофта-Уолтона могут быть сконфигурированы в виде одной лестницы. Этот умножитель напряжения использует на входе пульсирующий постоянный ток низкого напряжения для создания теоретически неограниченного выходного напряжения. При каждом изменении полярности ток протекает через последовательные диоды, заряжая дополнительные конденсаторы до конца. После первоначального включения требуется определенное время для зарядки всей сборки. Каждый конденсатор имеет постоянную времени, и общее время зависит от приложенного напряжения, емкости конденсаторов и длины лестницы.Промежуточные ответвители могут быть установлены для доступа к промежуточным напряжениям.
Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона — это один из многих типов зарядных насосов, названный в честь характерного способа, которым они нагнетают электрический заряд вдоль ряда трубчатых конденсаторов, каждый из которых накапливает заряд до тех пор, пока полярность не изменится на противоположную, после чего они разряжаются. .
В общем, подкачка заряда — это умножитель напряжения, оптимизированный для использования с входом постоянного тока. Вы можете прервать постоянный ток с помощью генератора и подать его на трансформатор, но одно из преимуществ технологии умножения напряжения состоит в том, что тяжелый трансформатор с ним не требует огромного пространства.В наш век мобильных устройств зарядный насос является преимуществом.
Накачка заряда может быть основана на диодах, но обычная конфигурация включает переключаемые полевые МОП-транзисторы с небольшими керамическими конденсаторами. Эффективность зарядного насоса высока, как и требуется в сотовых телефонах. В схемах, использующих дискретные компоненты, предпочтительны диоды Шоттки, образованные соединением полупроводника с металлом, из-за их низкого прямого падения напряжения. В системе накачки заряда, реализованной в виде ИС, часто используются высокоэффективные полевые МОП-транзисторы с низким входным импедансом.
Накачка заряда может также изменять полярность на выходе относительно входа. Помимо повышения напряжения, подкачка заряда может уменьшать вдвое или, в каскадной конфигурации, делить входное значение на любое целое число. Использование высоких тактовых частот позволяет использовать более низкую емкость из-за более коротких постоянных времени. Выходное напряжение регулируется изменениями рабочего цикла тактового сигнала. Одним из преимуществ зарядного насоса является то, что он может переключаться между понижающим и повышающим режимами, компенсируя разряд батареи между зарядками.
Там, где требуется несколько выходов постоянного напряжения, зарядный насос намного более компактен и дешевле, чем линейный источник питания, который ограничен трансформатором с отводами вторичной обмотки. Конденсаторы могут быть электролитическими или керамическими в зависимости от скорости переключения.
Удвоители напряжения и инверторы
могут быть построены на основе микросхемы таймера 555 с двумя внешними диодами и тремя или четырьмя внешними конденсаторами. Когда для питания операционного усилителя требуются положительные и отрицательные источники питания, накачка заряда может быть сконфигурирована как инвертор напряжения.
Если для ИС требуется несколько напряжений, например, один сильноточный первичный источник и вспомогательные слаботочные источники, то идеальным преобразователем мощности является зарядовая накачка. Другие приложения — это EEPROM и флэш-память.
С меньшим количеством компонентов и без индуктора простой насос заряда требует меньше места на печатной плате и более эффективен, чем линейный источник питания.
Недостатки скромные: он ограничен нагрузками с дробным усилением и, как все SMPS, генерирует некоторые электромагнитные помехи и не так эффективен, как аналогичные источники питания, построенные на индукторах, которые могут питать большие нагрузки, но стоят дороже.
Все умножители напряжения используют конфигурацию, состоящую из диодов и конденсаторов для умножения до уровня напряжения, желаемого конечным пользователем, пикового напряжения переменного тока (полученного в порядке увеличения изменчивости, электросети, местного резервного питания или местного инвертора) или аккумуляторной батареи. поставляемый, гидро или дикий постоянный ток от ветряной турбины.
Диоды и конденсаторы используются совместно для формирования умножителей напряжения. Эти схемы способны умножать напряжение в четыре или более раз для получения теоретически любого напряжения, вплоть до киловольтного диапазона.Эта технология эффективно используется в высоковольтных трансконтинентальных системах распределения электроэнергии для переключения напряжения и системы. Но диоды и конденсаторы должны иметь адекватные характеристики обратного пробоя, равные удвоенному пиковому напряжению, из-за высоких напряжений, возникающих в многокаскадном оборудовании.
При разработке и диагностике умножителей напряжения осциллографы смешанных сигналов или связанная с ними аппаратура необходимы для визуализации цифровых сигналов в сопоставлении с аналоговыми сигналами. Например, в небольшом масштабе прерывистая работа источника питания может нарушить поток цифровых данных, и, отображая обе формы сигнала в реальном времени, эти проблемы можно проанализировать.
Множители напряжения
(удвоители, тройники, учетверенные устройства и др.) | Диоды и выпрямители
Умножитель напряжения представляет собой специализированную схему выпрямителя, вырабатывающую выходной сигнал, который теоретически является целым числом, умноженным на пиковое входное значение переменного тока, например, в 2, 3 или 4 раза превышающее пиковое входное значение переменного тока. Таким образом, можно получить 200 В постоянного тока от источника переменного тока с пиковым напряжением 100 В, используя удвоитель, а 400 В постоянного тока — от учетверителя. Любая нагрузка в практической цепи снизит эти напряжения.
Сначала мы рассмотрим несколько типов умножителей напряжения — удвоитель напряжения (полуволновый и двухполупериодный), утроитель напряжения и учетверитель напряжения — затем сделаем несколько общих замечаний о безопасности умножителя напряжения и закончим с умножителем Кокрофта-Уолтона.
Удвоитель напряжения
Удвоитель напряжения — это источник питания постоянного тока, способный использовать источник переменного тока 240 В или 120 В переменного тока. В источнике питания используется двухполупериодный мост, выбранный переключателем, для выработки около 300 В постоянного тока от источника 240 В переменного тока. Положение переключателя 120 В переключает мост как удвоитель, вырабатывающий около 300 В постоянного тока из 120 В переменного тока. В обоих случаях вырабатывается 300 В постоянного тока. Это вход для импульсного регулятора, вырабатывающего более низкие напряжения для питания, скажем, персонального компьютера.
Полуволновой удвоитель напряжения
Удвоитель полуволнового напряжения на рисунке ниже (a) состоит из двух цепей: фиксатора в точке (b) и пикового детектора (полуволнового выпрямителя) на рисунке выше, который показан в измененной форме на рисунке ниже (c). .C2 был добавлен к пиковому детектору (полуволновой выпрямитель).
Полупериодный удвоитель напряжения (а) состоит из (б) фиксатора и (в) полуволнового выпрямителя.
Анализ рабочих цепей полуволнового удвоителя напряжения
Как показано на рисунке (b) выше, C2 заряжается до 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде) на отрицательном полупериоде входного переменного тока. Правый конец заземлен проводом D2. Левый конец заряжается на отрицательном пике входа переменного тока. Это работа кламмера.
Во время положительного полупериода в игру вступает однополупериодный выпрямитель, показанный на рисунке (c) выше. Диод D2 не в цепи, так как он смещен в обратном направлении. C2 теперь включен последовательно с источником напряжения. Обратите внимание на полярность генератора и C2, последовательного подключения. Таким образом, выпрямитель D1 получает всего 10 В на пике синусоиды, 5 В от генератора и 5 В от C2. D1 проводит сигнал v (1) (рисунок ниже), заряжая C1 до пика синусоидальной волны на 5 В постоянного тока (рисунок ниже v (2)). Форма волны v (2) — это выходной сигнал удвоителя, который стабилизируется на уровне 10 В (8.6 В с падением напряжения на диоде) после нескольких циклов входного синусоидального сигнала.
* SPICE 03255.eps C1 2 0 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 0 1 диод V1 4 0 SIN (0 5 1k). Модель диода d .tran 0,01 м 5 м. Конец
Удвоитель напряжения: вход v (4). v (1) ступень фиксатора. v (2) каскад однополупериодного выпрямителя, который является выходом удвоителя.
Двухполупериодный удвоитель напряжения
Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из пары последовательно установленных полуволновых выпрямителей.(Рисунок ниже) Соответствующий список соединений показан на рисунке ниже.
Анализ работы двухполупериодного удвоителя напряжения
Нижний выпрямитель заряжает C1 за отрицательный полупериод на входе. Верхний выпрямитель заряжает C2 в положительном полупериоде. Каждый конденсатор получает заряд 5 В (4,3 В с учетом падения напряжения на диоде). Выходной сигнал в узле 5 представляет собой последовательную сумму C1 + C2 или 10 В (8,6 В с диодными падениями).
* SPICE 03273.eps * R1 3 0 100k * R2 5 3 100k D1 0 2 диода D2 2 5 диодов C1 3 0 1000p C2 5 3 1000p V1 2 3 SIN (0 5 1k). модель диода d .tran 0,01 м 5 м. конец
Двухполупериодный удвоитель напряжения состоит из двух однополупериодных выпрямителей, работающих на чередующихся полярностях.
Обратите внимание, что выход v (5) на рисунке ниже достигает полного значения в течение одного цикла изменения входа v (2).
Двухполупериодный удвоитель напряжения: v (2) вход, v (3) напряжение в средней точке, v (5) напряжение на выходе
Получение двухполупериодных удвоителей из однополупериодных выпрямителей
На рисунке ниже показано получение двухполупериодного удвоителя из пары полуволновых выпрямителей противоположной полярности (а).Отрицательный выпрямитель пары для наглядности перерисован (б). Оба они объединены в пункте (c) на одной и той же земле. В (d) отрицательный выпрямитель переподключен для совместного использования одного источника напряжения с положительным выпрямителем. Это дает источник питания ± 5 В (4,3 В с диодным падением); тем не менее, между двумя выходами можно измерить 10 В. Контрольная точка заземления перемещается так, чтобы напряжение +10 В было доступно по отношению к земле.
Двухполупериодный удвоитель: (a) пара удвоителей, (b) перерисованная, (c) общая земля, (d) общий источник напряжения.(e) переместите точку на земле.
Триплер напряжения
Удвоитель напряжения (рисунок ниже) состоит из комбинации удвоителя и полуволнового выпрямителя (C3, D3). Однополупериодный выпрямитель вырабатывает 5 В (4,3 В) в узле 3. Удвоитель обеспечивает еще 10 В (8,4 В) между узлами 2 и 3. Всего 15 В (12,9 В) на выходном узле 2 относительно земля. Список соединений представлен на рисунке ниже.
Удвоитель напряжения, состоящий из удвоителя, установленного поверх одноступенчатого выпрямителя.
Обратите внимание, что V (3) на рисунке ниже возрастает до 5 В (4,3 В) в первом отрицательном полупериоде. Вход v (4) сдвигается вверх на 5 В (4,3 В) за счет 5 В от однополупериодного выпрямителя. И еще 5 В на v (1) из-за фиксатора (C2, D2). D1 заряжает C1 (форма волны v (2)) до пикового значения v (1).
* SPICE 03283.eps C3 3 0 1000p D3 0 4 диода C1 2 3 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 3 1 диод V1 4 3 SIN (0 5 1k). Модель диода d.переход 0,01м 5м конец
Утроитель напряжения: v (3) однополупериодный выпрямитель, v (4) вход + 5 В, v (1) фиксатор, v (2) конечный выход.
Счетвер. Напряжения
Счетверитель напряжения представляет собой сложенную комбинацию двух удвоителей, показанных на рисунке ниже. Каждый удвоитель обеспечивает 10 В (8,6 В) для последовательной общей суммы на узле 2 по отношению к земле 20 В (17,2 В)
Список соединений показан на рисунке ниже.
Счетверитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных удвоителей, с выходом в узле 2.
Осциллограммы квадруплера показаны на рисунке ниже. Доступны два выхода постоянного тока: v (3), выход удвоителя, и v (2), выход учетверителя. Некоторые из промежуточных напряжений на фиксаторах показывают, что входная синусоида (не показана), которая колеблется на 5 В, последовательно фиксируется на более высоких уровнях: на v (5), v (4) и v (1). Строго говоря, v (4) не является выходом фиксатора. Это просто источник переменного напряжения, подключенный последовательно к выходу удвоителя v (3). Тем не менее, v (1) является фиксированной версией v (4)
.
* SPICE 03441.eps * SPICE 03286.eps C22 4 5 1000p C11 3 0 1000p D11 0 5 диод D22 5 3 диода C1 2 3 1000p D1 1 2 диода C2 4 1 1000p D2 3 1 диод V1 4 3 SIN (0 5 1k). модельный диод d .tran 0,01m 5m .end
Счетверитель напряжения: напряжение постоянного тока доступно на v (3) и v (2). Промежуточные формы волны: фиксаторы: v (5), v (4), v (1).
Примечания по умножителям напряжения и источникам питания с линейным приводом
Здесь уместны некоторые примечания по умножителям напряжения.Параметры схемы, использованные в примерах (V = 5 В на 1 кГц, C = 1000 пФ), не обеспечивают большого тока, микроампер. Кроме того, отсутствовали нагрузочные резисторы. Нагрузка снижает напряжения по сравнению с показанными. Если схемы должны управляться источником с частотой кГц при низком напряжении, как в примерах, конденсаторы обычно имеют номинал от 0,1 до 1,0 мкФ, чтобы на выходе имелся ток в миллиамперах. Если умножители работают с частотой 50/60 Гц, конденсатор составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч микрофарад, чтобы обеспечить выходной ток в сотни миллиампер.При питании от сетевого напряжения обратите внимание на полярность и номинальное напряжение конденсаторов.
Наконец, любой источник питания с прямым питанием от сети (без трансформатора) опасен для экспериментатора и испытательного оборудования, работающего от сети. Коммерческие источники питания с прямым приводом безопасны, потому что опасная электрическая схема находится в корпусе для защиты пользователя. При установке в эти схемы электролитических конденсаторов любого напряжения, конденсаторы взорвутся, если полярность будет изменена. Такие цепи следует включать за защитным экраном.
Множитель Кокрофта-Уолтона
Умножитель напряжения каскадных полуволновых удвоителей произвольной длины известен как умножитель Кокрофта-Уолтона , как показано на рисунке ниже. Этот умножитель используется, когда требуется высокое напряжение при низком токе. Преимущество перед обычным источником питания состоит в том, что не требуется дорогой высоковольтный трансформатор — по крайней мере, не такой мощности, как выходная мощность.
Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона x8; вывод на v (8).
Пара диодов и конденсаторов слева от узлов 1 и 2 на рисунке выше составляет полуволновой удвоитель. Вращение диодов на 45 ^o против часовой стрелки и нижнего конденсатора на 90 ^o делает его похожим на рисунок выше (а). Четыре секции удвоения каскадом расположены справа для теоретического коэффициента умножения x8. Узел 1 имеет форму волны фиксатора (не показана), синусоидальную волну, сдвинутую вверх на 1x (5 В). Остальные узлы с нечетными номерами представляют собой синусоиды, ограниченные последовательно более высокими напряжениями.Узел 2, выход первого удвоителя, представляет собой двойное постоянное напряжение v (2) на рисунке ниже. Последовательные узлы с четными номерами заряжаются до последовательно более высоких напряжений: v (4), v (6), v (8)
D1 7 8 диод C1 8 6 1000p D2 6 7 диод C2 5 7 1000p D3 5 6 диод C3 4 6 1000p D4 4 5 диод C4 3 5 1000p D5 3 4 диода C5 2 4 1000p D6 2 3 диода D7 1 2 диода C6 1 3 1000p C7 2 0 1000p C8 99 1 1000p D8 0 1 диод V1 99 0 SIN (0 5 1k) .model диод d .tran 0,01м 50м.конец
Сигналы Кокрофта-Уолтона (x8). Выход — v (8).
Без диодных падений каждый удвоитель дает 2Vin или 10 В, учитывая, что два диодных падения (10-1,4) = 8,6 В вполне реально. Всего для 4 удвоителей ожидается 4 · 8,6 = 34,4 В из 40 В.
Консультации Рисунок выше, v (2) примерно прав; однако v (8) <30 В вместо ожидаемых 34,4 В. Беда множителя Кокрофта-Уолтона заключается в том, что каждая дополнительная ступень добавляет меньше, чем предыдущая.Таким образом, существует практический предел количества стадий. Это ограничение можно преодолеть, изменив базовую схему. [ABR] Также обратите внимание на временную шкалу 40 мс по сравнению с 5 мс для предыдущих схем. Потребовалось 40 мсек для повышения напряжения до предельного значения для этой цепи. В списке соединений на рисунке выше есть команда «.tran 0.010m 50m» для увеличения времени моделирования до 50 мсек; правда, отображается только 40 мсек.
Умножитель Кокрофта-Уолтона служит более эффективным источником высокого напряжения для фотоэлектронных умножителей, требующих до 2000 В.[ABR] Кроме того, трубка имеет множество динодов , клемм, требующих подключения к узлам с «четными номерами» более низкого напряжения. Последовательный ряд отводов умножителя заменяет теплогенерирующий резистивный делитель напряжения предыдущих разработок.
Умножитель Кокрофта-Уолтона, работающий от сети переменного тока, подает высокое напряжение на «ионные генераторы» для нейтрализации электростатического заряда и для очистителей воздуха.
Обзор умножителя напряжения
:
Умножитель напряжения выдает постоянный ток, кратный (2,3,4 и т. Д.) Пиковому входному напряжению переменного тока.
Самый простой умножитель — это полуволновой удвоитель.
Двухполупериодный дуплекс — превосходная схема в качестве удвоителя.
Утройник — это однополупериодный удвоитель и обычный выпрямительный каскад (пиковый детектор).
Счетверник — пара полуволновых удвоителей
Длинная цепочка полуволновых удвоителей известна как множитель Кокрофта-Уолтона.
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:
Что такое удвоитель напряжения? Как работает схема удвоителя напряжения
Общие сведения об удвоителе напряжения
Управление напряжением во время выпрямления переменного тока для D.Требование C чрезвычайно важно. Фактически, контроль и стабилизация напряжения являются неотъемлемой частью любого электрического процесса.
Несколько типов стабилизаторов напряжения используются для поддержания постоянного напряжения на протяжении всего процесса преобразования переменного тока в постоянный. Например, если система получает питание от набора батарей, напряжение будет снижаться при разрядке батарей, и, следовательно, для этого должна быть предусмотрена система резервных батарей. Величина напряжения, требуемого во время фазы низкого напряжения, зависит от мощности оборудования.Есть вероятность, что напряжение, необходимое для конкретного приложения, выше, чем подаваемое напряжение. Для таких случаев используется удвоитель напряжения. Также следует отметить, что для всего электрического оборудования требуется уровень напряжения немного выше нормального. Это помогает поддерживать эффективность и стабильность оборудования.
Удвоитель напряжения является неотъемлемой частью процесса выпрямления переменного тока и помогает увеличить напряжение в системе. Как следует из названия, он выдает напряжение, которое почти вдвое превышает входное.Это означает, что напряжение, создаваемое удвоителем, в два раза превышает пиковое значение переменного входного тока. Однако учтите, что это возможно только при очень малом токе нагрузки.
Конструкция и работа
Удвоитель напряжения представляет собой схему, состоящую из двух полупроводниковых PN-диодов (выпрямителей) и двух конденсаторов, расположенных в виде мостовой конструкции. Конденсаторы и выпрямители расположены, как показано на рисунке.
Два конденсатора C1 и C2 соединены последовательно друг с другом, а также с нагрузкой.В схеме удвоителя напряжения переменный ток сначала будет течь по часовой стрелке, а затем против часовой стрелки (обозначено стрелками на схеме). Когда ток течет по часовой стрелке, выпрямитель R1 заряжает конденсатор C1 до тех пор, пока напряжение не достигнет пика положительной волны напряжения. Аналогичным образом, ток течет против часовой стрелки, выпрямитель R2 заряжает конденсатор C2, пока напряжение не достигнет пика волны отрицательного напряжения.
Поскольку оба конденсатора включены последовательно друг с другом и с нагрузкой, противоположные напряжения, генерируемые в обоих из них, складываются и разряжаются в нагрузке. Таким образом, будет получен эффект удвоения, обеспечивающий напряжение, вдвое превышающее входное. Однако следует отметить, что система будет работать, только если нагрузка очень мала. В случае увеличения нагрузки эффект удвоения не возникает.
Подобные схемы используются для увеличения напряжения почти в четыре раза по сравнению с входным напряжением, но только если ток нагрузки очень мал.Во многих приложениях также используются трансформаторы. Однако они дорогие и не обеспечивают должного качества тока.
Приложение
Удвоители напряжения широко используются в телевизионном и радиолокационном оборудовании в качестве альтернативы более тяжелым, большим и дорогим трансформаторам и выпрямителям, которые также выполняют ту же функцию, что и удвоители напряжения.
Ссылки и изображения
Судовое электрическое оборудование и практика, H.D McGeorge
Цепи преобразователя напряжения постоянного тока | Журнал Nuts & Volts
ВВЕДЕНИЕ
Во многих современных электронных схемах с батарейным питанием требуется источник постоянного тока, который имеет либо большее значение напряжения, чем напряжение основной батареи, либо имеет обратную полярность; схема, которая питается от шестивольтовой батареи, может, например, включать в себя один каскад операционного усилителя, которому требуются линии питания +12 В и -6 В.В таких случаях требуемые напряжения могут генерироваться через одну или несколько специальных схем преобразователя постоянного напряжения.
Большинство электронных преобразователей напряжения постоянного тока работают в одном из четырех основных способов и используют генератор с питанием от постоянного тока для управления либо простой схемой «умножитель напряжения» на основе диода-конденсатора, либо сетью повышающего трансформатора и выпрямителя, либо «летающей». конденсаторный преобразователь напряжения или диодно-управляемый зарядный насос, который производит желаемое конечное выходное напряжение постоянного тока или напряжения.
В этой статье объясняются принципы работы и приводятся практические примеры каждого из этих четырех основных типов схем.
ЦЕПИ МНОЖИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
Обычные типы схем преобразователя напряжения постоянного тока с «умножителями напряжения» основаны на простой двухсекционной диодно-конденсаторной выпрямительной сети, которая была первоначально разработана еще в 1930-х годах для использования в дорогостоящих цепях переменного тока. -Приложения преобразования напряжения постоянного тока, которые до сих пор широко используются.
Чтобы понять основные операции и терминологию этой схемы (которая иногда может сбивать с толку), необходимо начать с рассмотрения простой схемы преобразования мощности переменного тока в постоянный, а именно:
Самая простая схема преобразования мощности переменного тока в постоянный — это основной тип полуволнового выпрямления, показанный на рис. , рис. 1 , который изображает схему, в которой используется трансформатор со значением вторичного напряжения 250 В (среднеквадратичное).
РИСУНОК 1. Основные детали простого блока питания постоянного тока с однополупериодным выпрямлением на 250 В.
Здесь напряжение переменного тока, подаваемое на вход выпрямителя D1, попеременно колеблется выше и ниже значения 0 В, повышаясь до положительного значения V _пик (Vpk) + 353 В в положительном полупериоде и снижаясь до отрицательного значения V _пик значение -353В в отрицательном полупериоде.
D1 смещен в прямом направлении в течение каждого положительного полупериода и, таким образом, заряжает конденсатор C1 до пикового значения (без учета прямого падения напряжения D1) + 353 В, но смещается в обратном направлении в течение каждого отрицательного полупериода, что, таким образом, не имеет практического эффекта. на цепи.
Эта схема вырабатывает положительное выходное напряжение, но ее можно заставить генерировать отрицательное выходное напряжение, просто поменяв полярность D1 и C1 на обратную.
Действительно важно отметить в схеме полуволнового выпрямителя Рисунок 1 то, что D1 и C1 действуют вместе как детектор пикового напряжения, который заставляет схему выдавать выходной сигнал, равный положительному значению пика вторичного напряжения T1. .
То же самое основное действие происходит во всех обычных схемах двухполупериодного выпрямителя, которые также дают выходной сигнал, равный пиковому значению вторичного напряжения трансформатора.
В начале 1930-х инженеры нуждались в дешевом, надежном и безопасном способе генерации дорогостоящего маломощного постоянного напряжения из недорогих нелетальных трансформаторов, и для этого разработали простую двухсекционную схему «умножителя напряжения». работа. На рисунке 2 показана такая схема, возбуждаемая от вторичной обмотки трансформатора на 250 В.
РИСУНОК 2. Основные детали схемы умножителя напряжения с «удвоением напряжения» с приводом от трансформатора.
Здесь секция C1-D1 действует как диодный фиксатор, который при питании от нормального входа переменного тока, который колеблется симметрично относительно значения 0 В, создает выходной сигнал идентичной формы, но его пиковая отрицательная точка привязана к «Опорное» значение 0 В, как показано на диаграмме.
Пиковое выходное значение этой формы волны равно размаху (V _pp) входного напряжения переменного тока и подается непосредственно на вход простой секции детектора пикового напряжения D2-C2, которая, таким образом, производит Выходное напряжение постоянного тока равно значению V _pp (а не пиковому значению) входного переменного напряжения.
Таким образом, эта схема дает вдвое большее выходное напряжение, чем обычная полуволновая или двухполупериодная схема выпрямителя, и поэтому известна как умножитель напряжения с «удвоением напряжения».
Схема может быть создана для генерирования отрицательного (а не положительного) выходного напряжения путем простого изменения полярности C1-D1 и D2-C2.
Один очень важный момент, который следует отметить в отношении базовой схемы , рис. 2 , заключается в том, что ее выходное напряжение фактически равно V _pp плюс общее « опорное » напряжение (V _ref) D1-C2, которое в этом конкретном примере равно 0V. Таким образом, если эта схема модифицируется так, что V _ref каким-то образом повышается до (скажем) + 1000 В, выход 706 В C2 будет добавлен к выходу V _ref, чтобы получить окончательное выходное напряжение 1706 В, и поэтому на.
Сердцем схемы Figure 2 является фактическая сеть удвоителя напряжения C1-D1-D2-C2. Рисунок 3 (a) показывает обычную схему этой сети, а Рисунок 3 (b) показывает ее перерисовку как «стандартную» секцию умножителя напряжения с удвоением напряжения.
РИСУНОК 3. (a) Схема обычного удвоителя напряжения и (b) схема, перерисованная в «стандартной» форме.
Основной особенностью удвоителя напряжения является то, что несколько «удвоителей» могут быть легко соединены между собой для получения различных значений умножения напряжения, и такие схемы лучше всего рисовать с использованием стандартного представления , рис. 3 (b), .
На рис. 4 , например, показаны три из этих «удвоителей» каскадов, соединенных между собой для обеспечения секвенсора напряжения, при котором конечное выходное напряжение в шесть раз превышает пиковое значение исходного входного напряжения 250 В (действующее значение).
РИСУНОК 4. Три «удвоителя» соединены между собой, чтобы обеспечить умножение напряжения в 6 раз.
Здесь каждая секция удвоителя генерирует отдельный выход (через свой конденсатор C2, C4 или C6) 706 В, но выход первого удвоителя действует как точка V _ref второго удвоителя, а выход второго удвоителя действует как точка V _ref третьего удвоителя, в результате чего три отдельных выходных напряжения складываются вместе, давая окончательный выход постоянного тока + 2118 В от входа 250 В переменного тока.
Обратите внимание на схему , рис. 4 , что входной конденсатор каждой секции питается непосредственно от входного переменного напряжения и требует абсолютного минимального номинального напряжения, равного выходному напряжению этой секции относительно земли, например, для C5 требуется минимальный номинал. 2118В.
В середине 1930-х годов была разработана модифицированная версия умножителя напряжения для преодоления этого препятствия. Известный как умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона, он использует стандартные каскады удвоителя напряжения, соединенные между собой так, как показано на рис. 5 .
РИСУНОК 5. Эта трехступенчатая схема Кокрофта-Уолтона дает умножение напряжения в 6 раз.
Эта схема аналогична схеме , рис. 4 , за исключением того, что на вход каждого удвоителя (кроме первого) подается напряжение от «фиксированной» точки переменного напряжения предыдущего удвоителя.
Следовательно, требование «минимального номинального напряжения» каждого компонента, используемого в каждой ступени удвоения, равно размаху исходного входного напряжения переменного тока.
Недостатком умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона является то, что его выходной импеданс довольно высок (он пропорционален сумме импедансов различных входных конденсаторов), и поэтому он может обеспечивать только небольшие выходные токи.
На практике этот тип умножителя напряжения был первоначально разработан просто для генерации очень высокого (примерно до 30 кВ) напряжения ускорителя на конечном аноде электронно-лучевых трубок, что требует очень небольшого тока возбуждения.
Обратите внимание, что 10-ступенчатая схема этого типа — когда она приводится в действие входом 500 В переменного тока — генерирует выход постоянного тока более 14 кВ, но компоненты, используемые на каждой ступени, имеют минимальные требования к номинальному напряжению менее 1,5 кВ.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Напряжение постоянного тока можно легко преобразовать в одно из более высоких значений или обратной полярности, используя источник постоянного тока для питания автономного генератора прямоугольных импульсов от 1 кГц до 30 кГц, выход которого подается на умножитель напряжения одного из уже описаны основные типы, которые, таким образом, обеспечивают желаемое «преобразованное» выходное напряжение постоянного тока. На рисунке 6 показана практическая демонстрационная схема этого типа.
РИСУНОК 6. Базовая демонстрационная схема «удвоителя напряжения».
В схеме , рис. 6, используется «таймер» типа 555 (который может обеспечивать довольно высокие выходные токи) в качестве автономного генератора прямоугольных импульсов, который работает на частоте около 3 кГц (определяется значениями R1-R2-C2), и напрямую управляет каскадом «удвоителя» C3-D1-D2-C4, который (в идеале) производит выход постоянного тока, равный размаху выходного сигнала прямоугольной формы, который (в идеале) равен значению Vcc.
На практике величина размаха прямоугольной волны немного меньше Vcc, и «удвоитель» теряет еще 1,2 В при падении напряжения в D1 и D2, в результате чего фактический выход (при очень небольшой нагрузке) примерно на 1,6 В меньше, чем Vcc, например, 8,4 В при питании 10 В. Схема может использовать любой источник питания в диапазоне от 5 до 15 В.
Рисунок 7 показывает гораздо более полезную версию базовой схемы Figure 6 «удвоитель напряжения».
РИСУНОК 7. Схема удвоения постоянного напряжения.
В этой версии «удвоитель» C3-D1-D2-C4 подключен к положительной (а не 0 В) линии питания, и его выходное напряжение, таким образом, добавляется к выходному напряжению линии питания, что дает выходное напряжение постоянного тока. (при небольшой нагрузке) почти в два раза больше Vcc.
На практике схема прототипа дает выходной сигнал почти 19 В при использовании источника питания 10 В.
Рисунок 8 показывает схему Рисунок 7 , модифицированную для использования с каскадной парой каскадов «удвоителя», в конфигурации, которая известна (поскольку она генерирует выход постоянного тока в четыре раза больше, чем базовое пиковое входное напряжение переменного тока) как учетверитель напряжения.’
РИСУНОК 8. Каскадная схема «удвоителя напряжения».
Здесь выход нового каскада «удвоителя» C5-D3-D4-C6 (который на пару вольт меньше Vcc) добавляется к выходному сигналу базовой схемы , рис. 7, , что дает выходное напряжение постоянного тока. (при небольшой нагрузке) почти в три раза больше Vcc.
На практике схема прототипа дает выходной сигнал 27 В при использовании источника питания 10 В.
Рисунок 9 показывает особенно полезный тип схемы умножителя напряжения, который генерирует отрицательное выходное напряжение, которое (в идеале) почти равно по амплитуде, но противоположно полярности полярности линии питания ИС, таким образом обеспечивая выход с раздельным питанием от несимметричный вход.
РИСУНОК 9. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока.
Схема аналогична схеме Рис. 6 , но имеет обратную полярность «удвоителя» D1-D2-C4, так что его выходное напряжение является отрицательным по отношению к линии 0 В.
На практике схема прототипа дает выходной сигнал -8,4 В при использовании источника питания 10 В. (Примечание: два из этих «удвоителей» каскадных соединений дают выходное напряжение -17,5 В при использовании источника питания 10 В.)
ЦЕПЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ГЕНЕРАТОРА
Метод «умножителя напряжения» для получения увеличенных значений выходного напряжения постоянного тока обычно рентабелен только тогда, когда требуются коэффициенты умножения менее шести.
В случаях, когда требуются очень большие коэффициенты повышения (например, когда сотни вольт должны генерироваться через источник питания от 6 до 12 В), часто лучше использовать выход низковольтного генератора или генератора прямоугольных импульсов. для управления повышающим трансформатором напряжения, который затем обеспечивает необходимое высокое напряжение (в форме переменного тока) на его вторичной (выходной) обмотке; это переменное напряжение может быть легко преобразовано обратно в постоянное через простую сеть выпрямитель-фильтр. На рисунке 10 показана практическая схема маломощного генератора высокого напряжения этого типа.
РИСУНОК 10. Преобразователь постоянного тока от 9 до 300 В.
Схема Figure 10 действует как преобразователь постоянного тока в постоянный, который генерирует выходное напряжение 300 В постоянного тока от источника питания 9 В постоянного тока.
Здесь Q1 и связанная с ним схема действуют как LC-генератор Хартли, с низковольтной первичной обмоткой сетевого трансформатора T1 от 9В-0-9В до 250В (или трансформатора с аналогичным соотношением витков), образующей L-часть. генератора, который настраивается через C2.
Напряжение питания повышается примерно до 350 В пикового значения на вторичной обмотке T1, выпрямляется полуволной и сглаживается через D1-C3. Без постоянной нагрузки на C3 конденсатор может служить мощным, но нелетальным «поясом».
При постоянной нагрузке на выходе выход падает примерно до 300 В при токе нагрузки в несколько миллиампер.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА «ЛЕТУЩИЙ КОНДЕНСАТОР»
Одним из очень эффективных способов получения хорошего преобразования низкого напряжения в отрицательное является использование так называемого метода «летающего конденсатора», который используется в популярной специальной микросхеме преобразователя напряжения ICL7660 (и ее SI7660, LMC7660 и т. Д.)., эквиваленты) и несколькими аналогичными устройствами.
ICL7660 размещен в восьмиконтактном корпусе DIL, как показано на Рис. 11 (a) , и предназначен для питания от несимметричного источника постоянного тока, который подключается между контактами 8 (V +) и 3 (GND или 0 В), и для генерации отрицательного выходного сигнала равного значения на выводе 5 (-Vout), то есть при питании от источника питания +5 В он генерирует выходной сигнал -5 В на выводе 5, таким образом удваивая напряжение питания (т. Е. 10 В ) доступен между контактами 8 и 5.
РИСУНОК 11. (a) Схема и обозначения контактов и (b) упрощенная базовая схема использования ИС преобразователя напряжения ICL7660.
Таким образом, ИС можно использовать как генератор отрицательного напряжения или как удвоитель напряжения.
ICL7660 может использоваться с любым источником питания от + 1,5 В до 10 В постоянного тока, потребляет типичный ток покоя 170 мкА при 10 В и имеет типичную эффективность преобразования напряжения + ve в отрицательное значение 99,9%, когда его вывод 5 не нагружен.
Когда выход ИС загружен, он действует (при 10 В) как источник напряжения с выходным сопротивлением около 70R и может обеспечивать максимальные выходные токи около 40 мА; выходной импеданс обратно пропорционален напряжению питания и обычно составляет около 330R при 2.5В.
ICL7660 использует метод «летающего конденсатора» для преобразования напряжения, который проиллюстрирован на рис. 11 (b) . В ИС находится КМОП-генератор прямоугольных сигналов, который работает на базовой частоте около 10 кГц и имеет симметричный выход половинной частоты (доступный на выводе 2), который многократно переключает встроенный двухполюсный переключатель КМОП S1, который подключен к «летающий» внешний конденсатор С1.
Действие схемы таково, что при переключении S1 в высокий уровень C1 подключается непосредственно между землей и линиями V + (как показано на схеме) и, таким образом, заряжается до полного положительного значения напряжения питания.
Однако в следующем тактовом цикле S1 переключается на низкий уровень, и при этом условии C1 подключен — с обратной полярностью — непосредственно через внешний выходной конденсатор C2, таким образом генерируя выходное напряжение V- на C2. Эта последовательность переключения повторяется непрерывно на половине частоты тактового генератора.
Обратите внимание, что, поскольку ICL7660 использует CMOS, а не биполярные полупроводниковые переключатели в своей схеме «преобразования», IC работает с очень высокой эффективностью преобразования.
ICL7660 — простое в использовании устройство, но ни одна из его клемм никогда не должна быть подключена к напряжению выше V + или ниже GND (0 В).
Если ИС будет использоваться с источниками питания в диапазоне от 1,5 В до 3,5 В, вывод 6 «LV» (который управляет внутренним регулятором напряжения) должен быть заземлен; при значениях напряжения питания более 3,5 В контакт 6 должен оставаться разомкнутым. При значениях напряжения питания более 6,5 В защитный диод должен быть подключен последовательно с выходным контактом 5.
Схемы Рисунки 12 с по 20 показывают выбор практических конструкций, в которых применяются эти правила.
ЦЕПИ
ICL7660
Основное применение ICL7660 — это простой генератор отрицательного напряжения или удвоитель напряжения, а На рисунках 12 с по 14 показаны три простые схемы этого типа; в каждом случае C1 — «летающий» конденсатор, а C2 — сглаживающий / накопительный конденсатор, и каждый имеет значение 10 мкФ.
Преобразователь напряжения Figure 12 предназначен для использования с источниками питания от 1,5 В до 3,5 В и требует использования только двух внешних компонентов.
РИСУНОК 12. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока или удвоитель напряжения с питанием от 1,5 до 3,5 В.
Схема Рис. 13 аналогична, но предназначена для использования с источниками питания в диапазоне от 3,5 В до 6,5 В и поэтому имеет заземленный контакт 6.
РИСУНОК 13. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока или удвоитель напряжения с питанием от 3,5 до 6,5 В.
Наконец, схема Figure 14 предназначена для использования с источниками питания в диапазоне 6.5–10 В, и, следовательно, диод D1 подключен последовательно с выходным контактом 5, чтобы защитить его от чрезмерного обратного смещения от C2 при отключении источников питания.
РИСУНОК 14. Генератор отрицательного напряжения постоянного тока или удвоитель напряжения с питанием от 6,5 до 10 В.
Наличие этого диода снижает доступное выходное напряжение на Vdf, прямое падение напряжения на диоде; чтобы это падение напряжения не превышало минимальных значений, D1 должен быть германиевым или шоттки.
Полезной особенностью ICL7660 является то, что количество этих микросхем (до 10) можно каскадировать, чтобы получить коэффициенты преобразования напряжения больше единицы. Таким образом, если три каскада соединены каскадом, они дают конечное отрицательное выходное напряжение -3 В постоянного тока и т. Д. На рисунке 15 показаны соединения для каскадного включения двух из этих каскадов; любые дополнительные каскады должны быть подключены так же, как правая ИС на этой схеме.
РИСУНОК 15. Каскадные ИС для повышенного отрицательного выходного напряжения.
Уже отмечалось, что одиночная микросхема ICL7660 может использоваться в качестве высокоэффективного удвоителя напряжения, который может, например, генерировать выход 10 В с центральным отводом при питании от несимметричного входа 5 В.
Рисунок 16 показывает, как две из этих микросхем могут быть подключены каскадом для генерации выходного сигнала 12 В с центральным отводом, когда схема питается от несимметричного источника 3 В (например, от двух последовательно соединенных ячеек 1,5 В).
РИСУНОК 16. Каскадные ИС, обеспечивающие выходное напряжение 12 В с центральным отводом от источника питания 3 В.
Здесь IC1 используется как основной удвоитель напряжения, питаемый от источника 3 В, подключенного между контактами 3 и 8, а его выход 6 В (между контактами 5 и 8) используется для питания IC2 через контакты 3 и 8, а также IC2. таким образом генерирует выход (между контактами 5 и 8) 12 В при очень небольшой нагрузке. Этот выход 12 В имеет импеданс источника около 500R и падает примерно на 0,5 В при увеличении тока нагрузки на мА (большая часть этого падения напряжения отражается от выхода -ve IC1, который работает при уровне тока, в два раза превышающем Выход IC2, как описано ниже).
Важно отметить, что ток источника питания (батареи), потребляемый любой схемой умножителя напряжения, неизбежно по крайней мере в n раз больше, чем выходной ток под нагрузкой схемы, где n — значение «умножителя» схемы. Таким образом, если удвоитель напряжения питается от источника питания 5 В и генерирует выходной сигнал 10 В x 10 мА (= 100 мВт), из этого следует, что ток питания должен быть не менее 20 мА (= 100 мВт / 5 В).
Выходной импеданс схемы также пропорционален значению n .
В некоторых приложениях пользователь может захотеть уменьшить частоту генератора ICL7660 IC; один из способов сделать это — подключить конденсатор Cx между контактами 7 и 8, как на Рисунок 17 ; Рисунок 18 показывает взаимосвязь между значениями Cx и частоты; таким образом, значение Cx, равное 100 пФ, снижает частоту в 10 раз, с 10 кГц до 1 кГц; Чтобы компенсировать это снижение частоты 10: 1 и сохранить эффективность схемы, значения C1 и C2 должны быть увеличены в аналогичном коэффициенте (примерно до 100 мкФ каждое).
РИСУНОК 17. Метод понижения частоты генератора.
РИСУНОК 18. График зависимости Cx от частоты генератора.
Другой способ уменьшить частоту генератора — использовать вывод 7 для перегрузки генератора через внешние часы, как показано на Рис. 19 .
РИСУНОК 19. Внешняя синхронизация ICL7660.
Тактовый сигнал должен подаваться на контакт 7 через резистор 1K0 (R1) и должен полностью переключаться между двумя значениями шины питания; На схеме КМОП-затвор подключен как инвертирующий буферный каскад, чтобы обеспечить такое переключение.
ЦЕПИ НАСОСА С ДИОДНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
До сих пор в этой статье были описаны три из четырех наиболее широко используемых типов схем преобразования постоянного напряжения.
Четвертый тип преобразователя иногда называют схемой «диодно-управляемой накачки заряда», а Рисунок 20 показывает пример одного из этих «насосов», используемых вместе с ICL7660 IC для создания преобразователя, дающего положительный ток. выходное напряжение почти вдвое превышает исходное значение напряжения питания.
РИСУНОК 20. Удвоитель напряжения типа диодной накачки.
Насос состоит из D1-C1-D2-C2 и приводится в действие прямоугольным выходом с низким импедансом на выводе 2 микросхемы IC. Действие схемы очень простое, а именно:
Когда вывод 2 на выходе ICL7660 переключается на низкий уровень, он подключает нижний конец C1 к линии 0 В, поэтому C1 заряжается почти до полного значения Vcc через диод D1 с прямым смещением. Когда вывод 2 снова переключается на высокий уровень, он подтягивает нижний конец C1 до Vcc, таким образом увеличивая верхний конец C1 почти до удвоенного значения Vcc, таким образом, смещая D1 в обратном направлении и D2 в прямом направлении, и заставляя C1 перейти в сбросить свой избыточный заряд в C2, который, таким образом, заряжается почти вдвое по сравнению с величиной Vcc.
Этот процесс повторяется непрерывно, при этом C1 автоматически заменяет любые токи заряда, которые отводятся от C2 внешней схемой нагрузки. На практике диоды D1 и D2 уменьшают доступное выходное напряжение на величину, равную их совокупному прямому падению напряжения, поэтому в идеале они должны быть германиевыми с низкими потерями или диодами Шоттки.
Этот тип схемы «подкачки заряда» намного более мощный, чем обычная схема конденсаторно-диодного удвоителя напряжения, и может легко подавать выходной ток в 10 миллиампер.
Наконец, чтобы завершить этот взгляд на схемы преобразователя напряжения постоянного тока, на рисунках , с по 23 показаны три полезных варианта базовой схемы «накачки заряда».
Рисунок 21 показывает, как схема накачки заряда Рисунок 20 может быть объединена со стандартной схемой генератора отрицательного напряжения ICL7660 из Рисунок 13 или 14 для создания комбинированного умножителя положительного напряжения и преобразователя отрицательного напряжения, который обеспечивает двойные шины выходного напряжения от несимметричного входного источника.
РИСУНОК 21. Комбинированный удвоитель напряжения + ve и преобразователь напряжения + ve.
Рисунок 22 показывает, как два из диодно-управляемых насосов заряда типа Рисунок 20 могут быть включены в каскад для повышения напряжения, что дает положительное выходное напряжение, значение без нагрузки которого равно трехкратному напряжению Vcc, минус напряжение величина последовательно включенного диода падает. Обычно схема дает на выходе около 27 В при питании от источника 10 В.
РИСУНОК 22. Зарядный насос типа повышения напряжения.
Дополнительные каскады D3-C3-D4-C4 могут быть подключены каскадом, подключив нижний конец каждого конденсатора с нечетным номером к контакту 2 ИС, а нижний конец каждого конденсатора с четным номером — к линии 0 В; каждая новая ступень увеличивает доступное выходное напряжение на Vcc минус два падения напряжения на диоде.
Наконец, На рисунке 23 показана схема генератора отрицательного напряжения с диодной накачкой заряда, в которой полярности диодов и конденсаторов просто меняются местами и привязаны к линии 0 В.
РИСУНОК 23. Генератор отрицательного напряжения с диодной накачкой заряда.
Эта схема (при использовании обычных кремниевых диодов) дает типичное выходное напряжение без нагрузки всего -8,8 В при питании от источника 10 В, но дает гораздо лучшее регулирование напряжения, чем обычная схема генератора отрицательного напряжения ICL7660. NV
ОТНОШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ГРОМКОСТИ, МОЩНОСТИ И ДЕЦИБЕЛЕЙ | Гален Кэрол Аудио
Какое скучное название! Напротив, я думаю, что вы найдете информацию, содержащуюся здесь, как поучительной (возможно, даже удивительной), так и, безусловно, ценной.Этот документ поможет вам лучше понять, как взаимодействуют основные компоненты вашей стереосистемы. В частности, мы исследуем неуловимую взаимосвязь между мощностью динамика (громкостью) и выходной мощностью усилителя.

Громкость в значительной степени субъективна. То, что громко для одного человека, не для другого. Таким образом, нам нужен показатель, позволяющий количественно оценить то, что мы слышим. Наиболее распространенной единицей измерения является децибел (дБ). Большинство аудиофилов знакомы с этим термином, но что он на самом деле означает? Не вдаваясь в технические подробности, дБ — это единица измерения интенсивности или уровня звука.Это логарифмическая шкала, разработанная для выражения самых разных величин в простой шкале. Поскольку он логарифмический, это может немного сбить с толку. Например, удвоение громкости не равно удвоенному числу дБ. Приведенная ниже таблица поможет вам лучше понять дБ и то, как он соотносится с тем, что вы слышите, и что происходит в вашей системе при изменении уровня громкости. Но сначала нам нужно взглянуть на другой конец уравнения.

Мощность в данном описании относится к ваттам.Определяемая мощность — это скорость, с которой энергия преобразуется или рассеивается, как в случае усилителя, управляющего громкоговорителем. Это важно в нашем обсуждении при определении общих отношений.

Простая диаграмма поможет понять взаимосвязь между введенными нами терминами:
дБ Изменение Напряжение Мощность Громкость
3 1.4X 2X 1,23X
6 2,0 4,0 1,52
10 3,16 10 2
20 10 100 4
40 100 10 000 16
Глядя на график слева, мы видим, что увеличение на 3 дБ приводит к увеличению напряжения 1.В 4 раза больше, чем у оригинала, удваивается мощность и дает только субъективное увеличение громкости только в 1,23 раза от оригинала. Чтобы увеличить громкость вдвое, важно отметить, что необходимо увеличение на 10 дБ. И чтобы воспроизвести эту громкость через наши громкоговорители, обратите внимание, что нам требуется в десять раз больше мощности от усилителя!

Значение этого сравнения для типичной Hi-Fi системы очень велико. Предположим, вы слушаете стереосистему с комфортной громкостью 80 дБ.Далее мы предположим, что этот уровень требует от вашего усилителя 25 пиковых ватт. Чтобы чуть-чуть увеличить громкость, мы можем увеличить громкость на 3 дБ. Как видно из диаграммы, для этого потребуется удвоение мощности усилителя, который теперь будет выдавать 50 пиковых ватт для получения громкости 83 дБ. Если мы хотим удвоить кажущуюся громкость по сравнению с нашим исходным уровнем, нам нужно создать 90 дБ звукового давления, что потребует пиковой мощности 250 Вт.

Из приведенного выше примера очевидно, что для точного воспроизведения музыки необходима соответствующая мощность усилителя.Это особенно верно при попытке воспроизвести реалистичные уровни или при использовании неэффективных динамиков. Однако даже небольшие эффективные громкоговорители могут потребовать большого количества энергии для точного воспроизведения переходных пиков. В конце концов, сложно иметь слишком много мощности. В то время как небольшой усилитель мощностью всего несколько ватт может производить удивительно среднюю громкость, динамические пики обычно страдают, если только чувствительность динамика не очень высока.

Многие люди, с которыми я разговаривал, обеспокоены «слишком большой» властью.Считается, что усилитель с выходной мощностью, превышающей рекомендованную производителем громкоговорителя, может повредить громкоговоритель. Это не обязательно так. Интересно, что усилитель с недостаточной мощностью, скорее всего, вызовет повреждение динамика! Во время моего обучения на заводе JBL по обслуживанию датчиков я видел больше динамиков (твитеров / среднечастотников), поврежденных в результате использования с усилителями с недостаточной мощностью, чем тех, которые поддались перегрузке. Звучит странно? Не совсем, если вы понимаете, что происходит.

Когда усилитель перегружен, он «ограничивает» форму волны. То, что было чистой синусоидой, становится искаженной, почти квадратной волной. Прямоугольную волну чрезвычайно сложно воспроизвести динамику, так как она требует практически мгновенного запуска и остановки диафрагмы. При достаточном уровне мощности твитер просто умрет, пытаясь воспроизвести эту форму волны. Данный твитер, рассчитанный на обработку 50 Вт чистой неискаженной синусоидальной мощности, будет способен обрабатывать только часть этой мощности на входе прямоугольной волны.

Как видите, чистое, неискаженное питание — это ключ к успеху. Усилитель мощностью 25 Вт, постоянно доведенный до ограничения, более опасен, чем усилитель мощностью 250 Вт, который никогда не облагается налогом. Конечно, пусть преобладает разум. Я не говорю, что динамики могут обрабатывать бесконечный ввод, они не могут. Однако дополнительная мощность не означает, что динамик обязательно может выйти из строя. Если руководствоваться здравым смыслом, можно использовать усилитель любого размера.

На выбор усилителя влияют многие факторы. Некоторые из наиболее важных соображений — это тип динамика (эффективность или чувствительность), размер комнаты, тип музыки, которую вы слушаете, и, что наиболее важно, насколько громко вы хотите слушать и даже как далеко от динамиков вы сидите.В крайнем случае, у кого-то может быть неэффективный громкоговоритель, очень большая комната и вы любите слушать органную музыку на реалистичных уровнях. Этому человеку потребуется огромное количество энергии, чтобы удовлетворить свои потребности. У следующего слушателя с тем же динамиком может быть гораздо меньшая комната, и он предпочитает камерную музыку на уровне фона. Здесь требования к мощности могут составлять от одной десятой до одной четвертой от требований на предыдущем рисунке.

Требования действительно сильно различаются.Перед принятием решения относительно количества энергии, необходимого для вашей ситуации, разумно принять во внимание все факторы.
Удвойте напряжение, удвойте удовольствие: преимущества 24 В
Вы слышали в старой рекламе жевательной резинки: «Удвойте вкус, удвойте удовольствие?» Что ж, в схемах безопасности, если вы удвоите напряжение с 12 В до 24 В, вы действительно сможете удвоить удовольствие. Почему? Давайте разберемся.
Одной из лучших практических целей каждого технического специалиста должно быть не просто работа с определенной технологией, а понимание того, почему именно эта технология.Вот почему в этом месяце я решил поближе взглянуть на то, почему может быть выгоднее использовать 24-вольтовую систему по сравнению с типичной 12-вольтовой системой.
Вы слышали в старой рекламе жевательной резинки: «Удвойте вкус, удвойте удовольствие?» Что ж, в схемах безопасности, если вы удвоите напряжение с 12 В до 24 В, вы действительно сможете удвоить удовольствие. Но вопрос для любознательных специалистов: почему? Давайте разберемся.
Сначала позвольте мне привести пример. Кто-то уточнил, и вы установили электрическую дверную защелку.Вам предоставили однопарный кабель 22-го калибра, блок питания на 12 В и дверную защелку на 12 В. После установки вы обнаружите, что новый удар не работает. Вы заменяете его, и этот тоже не работает. Что случилось? Что вы можете сделать, чтобы решить эту проблему?
Для начала нам нужно внимательно изучить пару старых правил. Один из них — закон Ома, а другой — закон напряжения Кирхгофа. Понимание этих теорий имеет решающее значение для любого техника, который хочет по-настоящему понять основную теорию схем. Как вы увидите, эти законы применяются практически ко всем аспектам проектирования системы, и особенно к методам устранения неполадок.
Для получения лучших практик вы должны знать их от и до. Если вам нужно разобраться с этими законами, хорошим учебным пособием является Академия Хана.
Давайте вернемся к нашей проблеме с дверным замком. Оказывается, у нас есть только два варианта. Во-первых, если у вас есть лишняя свободная пара в кабеле, вы можете удвоить их, чтобы обеспечить меньшее сопротивление в этом длинном кабеле. Не забывайте, что, по словам Кирхгофа, кабель имеет сопротивление и может пропускать достаточно напряжения, поэтому дверной замок не может работать должным образом.
Хорошая попытка, но в данном случае это не вариант. Другой — протянуть новый кабель большего сечения. Однако это был очень длинный и сложный в установке кабель, так что это не вариант.
Не забудьте заголовок этой колонки: «Удвойте напряжение, удвойте удовольствие». Сегодня многие устройства могут работать как от 12 В, так и от 24 В. Присмотревшись к источнику питания и дверному замку, вы заметите, что оба имеют переключатель 12/24 В. Нет, не может быть так просто! При переключении дверной защелки и источника питания на опцию 24 В дверная защелка работает нормально.
Итак, что случилось? Пора ввести закон Ома: E (напряжение) = I (ток) X R (сопротивление). Помните из дней, когда вы занимались алгеброй? Если вы увеличиваете значение в одной части уравнения, вы должны пропорционально увеличивать его в другой, чтобы уравнение оставалось сбалансированным.
Что ж, мы можем согласиться с тем, что по большей части сопротивление этой цепи (кабель и удар) остается постоянным, тогда удвоение напряжения (E) позволяет нам удвоить ток (I) на другой стороне уравнения / цепи. Теперь, сделав это, дверной замок будет иметь достаточный ток для срабатывания, даже если сечение кабеля не увеличилось.В этом не было необходимости.
Надеюсь, теперь вы получили дополнительную оценку Ома и Кирхгофа. Такие простые вещи, как плохое завершение, могут вызвать высокое сопротивление в вашей цепи сигнализации. Это вызовет высокое падение напряжения и украдет доступное напряжение, предназначенное для других устройств в цепи.
Чтобы устранить эту проблему, вам нужно взять цифровой мультиметр и проверить это высокое падение напряжения. Не думайте, что причиной проблемы является неисправное устройство в цепи, это может быть плохое качество изготовления.
В качестве примера я выбрал электрическую дверную фурнитуру, потому что она обычно более требовательна к мощности. Однако вы также можете столкнуться с устройствами на 24 В переменного тока (переменного тока). Многие ошибочно думают, что функция переменного тока помогает решить нашу проблему, описанную выше, но, к сожалению, это не так.
Использование переменного тока обычно связано с дешевыми запорными соленоидами и двигателями, меньшей эрозией контактов реле и лучшим гашением дуги. Более дешевые соленоиды переменного тока работают с импедансом (версия сопротивления переменного тока), в то время как соленоиды постоянного тока работают с сопротивлением провода катушки.Также меньше электромагнитных помех. Не забудьте с собой соленоиды постоянного тока для защиты устройств при разрушении поля катушки с помощью диода с обратной ЭДС.
В наши дни большинство систем пожарной сигнализации работают на 24 В. Системы камер часто также предлагают вариант с напряжением 24 В.
(любезно предоставлено WAGO)
Инструмент месяца
Это безумие, сколько способов, которые я видел, техники пытались соединить вместе несколько проводов.